我國高效微生物電池驅(qū)動(dòng)納米線光傳感器問世

快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需要海量的多種類型傳感器，這些傳感器實(shí)時(shí)的采集環(huán)境信息，不斷更新數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)事物的智能處理和控制。另一方面，日益增長(zhǎng)的能源需求是人類現(xiàn)在和今后將持續(xù)面臨的最嚴(yán)重挑戰(zhàn)之一。

為了可持續(xù)發(fā)展，人類需要發(fā)展新的能源技術(shù)和降低器件的能源消耗?；诩{米材料的光傳感器具有靈敏度高、速度快和能耗低的優(yōu)點(diǎn)。到目前為止，高靈敏的納米材料光傳感器主要是由外電路驅(qū)動(dòng)的，這不僅顯著增加了微納器件的體積，而且嚴(yán)重限制了器件的使用靈活度，限制了其在大面積環(huán)境檢測(cè)、化學(xué)生物傳感和醫(yī)學(xué)治療中原位檢測(cè)等方面的應(yīng)用。構(gòu)建具有傳感、控制、通信和反饋等多種功能的微納系統(tǒng)是納米科技發(fā)展的主要目標(biāo)之一。

這樣的微納系統(tǒng)不僅需要微納器件，而且需要驅(qū)動(dòng)微納器件的能量供應(yīng)單元。為了和微納器件兼容，能量供應(yīng)單元的尺寸和重量都應(yīng)和微納器件匹配。雖然利用電池或現(xiàn)有的能量供應(yīng)單元可以驅(qū)動(dòng)微納器件，但是有效利用環(huán)境中的能量構(gòu)建自驅(qū)動(dòng)的納米系統(tǒng)對(duì)于大面積傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是大有裨益而必不可少的。

例如在污水和污染空氣實(shí)時(shí)監(jiān)控方面，低能量消耗、高靈敏和低成本的自驅(qū)動(dòng)納米光傳感器網(wǎng)絡(luò)有廣泛的應(yīng)用前景。目前國際上報(bào)道的自驅(qū)動(dòng)微納光傳感器能夠探測(cè)到的光強(qiáng)都比較強(qiáng)(W/cm2)，也沒有關(guān)于微納光傳感器在環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用的報(bào)道。在環(huán)境監(jiān)控和醫(yī)學(xué)治療等應(yīng)用中，人們往往對(duì)弱光探測(cè)(μW/cm2或更低)的需求更高。

美國佐治亞理工學(xué)院的王中林課題組的楊青，劉瑩和李澤唐等最近報(bào)道了微納復(fù)合材料高效微生物電池驅(qū)動(dòng)高靈敏半導(dǎo)體納米線光探測(cè)器的工作。該工作具有下面的特點(diǎn)：首先，利用微納復(fù)合材料制備微型微生物電池驅(qū)動(dòng)納米線光探測(cè)器，制備了一個(gè)自驅(qū)動(dòng)高靈敏微納光傳感器系統(tǒng)；其次，發(fā)現(xiàn)微納復(fù)合材料可提高微生物電池的發(fā)電效率，使μL尺寸的微生物電池的功率密度輸出達(dá)到30W/m2(相對(duì)于電極面積)。

目前國際上報(bào)道的功率密度為0.01-32 W/m2。器件在這方面是國際上報(bào)道的最好的器件之一；最后，自驅(qū)動(dòng)微納光子器件的光探測(cè)靈敏度很高，可探測(cè)nW/cm2的光，其響應(yīng)度達(dá)到300A/W。對(duì)器件的噪音分析顯示器件對(duì)紫外、藍(lán)光和綠光在10Hz的噪音等效功率分別為5.0×10-18，1.5×10-17 and 2.8×10-17 W Hz-1/2。噪音等效功率比國際上已有報(bào)道低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)(也就是靈敏度可比國際上已有報(bào)道高2-3個(gè)數(shù)量級(jí))。噪音降低的主要原因可能是用微納電源可屏蔽外電路噪音，和納米線質(zhì)量較好，缺陷少。

該研究的應(yīng)用范圍涵蓋環(huán)境、健康、能源和通信多個(gè)領(lǐng)域，例如在環(huán)境領(lǐng)域的污水和氣體污染物監(jiān)測(cè)等方面可獲得廣泛的應(yīng)用。微納光傳感器系統(tǒng)的應(yīng)用可降低能源消耗，發(fā)展新型超靈敏傳感器網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)微納器件在機(jī)械、電學(xué)、光學(xué)、能源和生物等多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。相關(guān)論文發(fā)表于德國《應(yīng)用化學(xué)》。