皮膚健康的“隱形殺手”——紫外線，尤其在水陸交錯的濱水區(qū)域威脅更大。傳統(tǒng)紫外線傳感器難以兼顧水陸環(huán)境監(jiān)測。中國科學技術大學孫海定教授團隊受招潮蟹生物視覺啟發(fā)，成功研發(fā)出全球首款基于水凝膠/氮化銦鎵納米線異質(zhì)結(jié)的自供電水陸兩棲紫外線視覺傳感器。該器件突破環(huán)境限制，在空氣和水下均實現(xiàn)130.7 mA/W超高響應度與7.7毫秒級快速響應。紫外線是皮膚健康的“隱形殺手”，而濱水區(qū)域的紫外線威脅尤為嚴峻。由于水面產(chǎn)生的菲涅耳反射效應，濱水區(qū)域的紫外線強度往往比內(nèi)陸高出20-30%。更令人擔憂的是，國際輻射防護協(xié)會（IRPA）的研究指出：水下活動時的紫外線暴露時常超出安全閾值，這一點卻最容易被人們忽視。傳統(tǒng)的紫外線傳感器雖能在陸地或水下單一環(huán)境中工作，卻無法實現(xiàn)“水陸無縫切換”，導致在游泳、沖浪、垂釣、灘涂作業(yè)等濱水活動場景中存在監(jiān)測盲區(qū)，使人們暴露在更高的健康風險中。

圖1 器件結(jié)構示意圖及SEM照片

面對這一挑戰(zhàn)，中國科學技術大學孫海定教授團隊將目光投向了自然界——生活在海岸潮間帶的招潮蟹。這種神奇的生物進化出了非凡的“兩棲紫外線哨兵”機制。它們擁有特殊的復眼結(jié)構，內(nèi)含對紫外線敏感的視錐細胞，能夠?qū)崟r感知空氣和水環(huán)境中的紫外線強度梯度。一旦監(jiān)測到輻射超標，它們便能迅速鉆入泥洞或潛入深水躲避傷害。這種高效的跨介質(zhì)生物紫外感知能力，為研究人員突破技術瓶頸提供了關鍵靈感。孫海定教授團隊創(chuàng)新性的使用水凝膠/銦鎵氮納米線結(jié)構器件，成功研發(fā)出全球首款水陸兩棲自供電紫外線視覺傳感器。突破傳統(tǒng)設備單介質(zhì)工作限制，在空氣和水下環(huán)境均實現(xiàn)130.7 mA/W高響應度與7.7ms快速響應，精準監(jiān)測復雜濱水環(huán)境的紫外線強度，該工作以“A Quasi Solid-State Hydrogel/InGaN Nanorod Heterostructure-Enabled Amphibious Sensor for Stable and Cross-Medium Optical Sensing and Monitoring”為題發(fā)表在《ACS Nano》上，中國科學技術大學微電子學院的博士研究生陳煒和碩士研究生李陽為文章的共同一作。該研究得到國家自然科學基金委的支持。

圖2 器件的光電探測性能數(shù)據(jù)

圖3 器件的實際工況下的測試數(shù)據(jù)

該工作是孫海定教授團隊在光電化學光探測器方向最新的成果，該團隊通過分子束外延，精準調(diào)控In的含量，將InGaN納米線帶隙調(diào)至2.75eV，使其能夠?qū)?80-420nm的產(chǎn)生較高的光響應，并且使用過超薄非晶碳層鈍化技術，通過C-N/O鍵與納米線表面強耦合，鈍化前后器件的響應度從3.3 mA/W升至130.7 mA/W（提升39.6倍）（圖2a），響應速度達7.7/7.2 ms（升/降），媲美人眼反應速度（圖2b），在385nm光照下，通過調(diào)整光強進行器件光電性能測試，發(fā)現(xiàn)器件具有很好的光強線性度（圖2e和圖2f）。在使用水凝膠封裝器件之后，使其具有跨介質(zhì)探測紫外光的功能，并且在空氣中和在水下，器件均有良好的探測效率和穩(wěn)定性，在連續(xù)工作1000s的開關光測試下，性能無衰減（圖2h和i）。 

在實際的應用場景當中，器件對不同的天氣下，以及同一天的不同時間下，均有準確的紫外光探測能力，而且不需要添加額外的濾光片，器件本身就可以對420nm以下的光有很好的探測選擇性，結(jié)合器件本身自供電的特性，可以為長時間戶外工作的人，或者濱海地區(qū)戶外作業(yè)的人，提供長期可靠的紫外健康檢測。原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c07003

 （來源：光電仿生感知日記）