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学术报道

我校甘志星、狄云松、刘慈慧团队在基于柔性光子晶体的智能感知方面取得系列研究进展

近日,威尼斯人登录网址未来光电功能材料研究中心甘志星、狄云松、刘慈慧团队在基于柔性光子晶体的智能感知器件方面的研究取得系列进展。报道了一种将光热材料与温敏水凝胶和柔性光子晶体结构色相结合的用于可视化检测太阳光强度的太阳能传感器[ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13(28), 33566–33573, IF:9.229]。他们还将这种柔性光子晶体用于增强钙钛矿纳米晶荧光,并利用柔性光子晶体光学特性对形变的敏感性,实现了对微小应变的高灵敏度检测[Appl. Phys. Lett. 2021, 119 (3), 033302, Nature指数期刊]。

柔性光电子不受限于传统器件的刚性物理限制,一方面可以极大的降低封装及曲面贴合的难度,另一方面也可以通过弯曲、拉伸为材料及器件引入应力或应变,大范围改变其材料和结构特性,不仅可以实现光学、电学、力学等物理量调控,同时也为开发智能感知器件提供重要基础。柔性光子作为一种高度学科交叉融合基础上产生的颠覆性科学技术,将有机会像柔性电子技术一样,在5G通讯网、云计算、可穿戴传感、智慧健康、人造皮肤等领域发挥重要作用。因此,近年来,柔性光子学器件受到了研究界的广泛关注。

太阳强度检测不管对于日常生活还是工业、农业生产都有重要意义。例如,过强或过弱的太阳光强度对人类视觉健康都是不利的。因此,大量研究致力于开发具有透光率响应的智能窗户,获得具有视觉舒适性的光照强度。而对于农业而言,太阳光是作物生长的关键要素。太阳光强度的检测和自动调节对智慧农业具有重要意义。迄今为止,已经有各种不同的光电器件可以用于检测太阳光强度,如半导体光电探测器、光谱仪等。但是这些光电探测器和光谱仪大多很精密,因此价格昂贵且容易损坏。事实上,对于一些特定的应用场景,比如智能家居、农业等,免电源、免维护、长寿命、响应快、成本低的太阳光探测器更加实用。

基于以上实际需求,该研究团队将光热材料、超疏水表面、温度敏感水凝胶和胶体光子晶体等多功能集成,设计了一种无需电源的可视化太阳光强度传感器[ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13(28), 33566–33573]。光热层是通过在铜纳米颗粒薄膜上沉积蜡烛烟尘来构建的,蜡烛烟尘的沉积不仅提高了光热性能,而且形成了具有自清洁功能的超疏水表面。而温度敏感的彩色水凝胶是通过在N-异丙基丙烯酰胺(PNiPAM)上自组装胶体光子晶体来制造的。光热层吸收太阳光并将其转化为热量,加热水凝胶PNiPAM。PNiPAM具有特殊的热致体积收缩效应,导致光子晶体周期性结构相应地收缩。因此,光热效应会使得结构色发生变化。随着太阳强度从0.62 kW/m2增加到1.27 kW/m2,光子晶体结构色显著地依次从红色变为橙色、黄色、绿色、青色和蓝色,反射峰相应地从640 nm移动到460 nm。这种颜色的变化非常明显,肉眼就能轻易分辨。因此,通过读取结构色可以很容易地检测到太阳光强度。这种无需电源的自洁式太阳能传感器可在免维护的条件下长期工作,在智能家居、智慧农业等领域具有广泛的应用前景。

此外,光子晶体对于局域电场的调控作用还被广泛应用于荧光的调控。该团队利用胶体光子晶体近场效应与钙钛矿纳米晶跃迁偶极矩的耦合,实现了钙钛矿纳米晶光致发光的显著增强。在特定条件下,增强倍数达到250倍。并且,通过调节二氧化硅胶体纳米颗粒的尺寸可以非常灵活地调节光子晶体的禁带宽度,因此可以实现钙钛矿纳米晶不同颜色发光的增强,在全色显示方面具有重要价值[J. Mater. Chem. C 2021, 9 (3), 908–915]。进一步地,为了满足可穿戴电子设备和柔性器件的需要,该团队利用自组装方法将胶体光子晶体沉积在聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底上,获得稳定的柔性光子晶体。将这种光子晶体与钙钛矿纳米晶结合,不仅可以实现荧光的增强,还拓展了智能传感方面的应用[Appl. Phys. Lett. 2021, 119 (3), 033302]。在逐渐拉伸过程中,光子晶体中的二氧化硅纳米颗粒间距扩大,光子晶体的禁带宽度变窄,反射峰逐渐红移,因此,光子晶体近场效应与钙钛矿纳米晶跃迁偶极矩的耦合度逐渐降低,荧光增强效应逐步消失,荧光强度显著下降。因此,荧光强度可以非常灵敏地反映拉伸形变的大小,假设光谱仪能够可靠地分辨出1%的发光强度变化,则该传感器对拉伸应变的分辨率可以高达0.25%。

论文链接: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.1c09533

https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0058858

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/tc/d0tc05056c/unauth#!divAbstract

  • 更新时间

    2021年07月29日 12:06

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  • 供稿

    计算机学院

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