可穿戴光電系統(tǒng)通常結(jié)合微型化、便攜式光電傳感器使用，能夠貼合人體表面，實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測與環(huán)境防護(hù)。然而，要開發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)復(fù)雜工況（如水陸交替環(huán)境）且具備高靈敏度與長期穩(wěn)定性的先進(jìn)傳感器，仍面臨諸多困難和挑戰(zhàn)。近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)微電子學(xué)院教授孫海定iGaN Lab課題組受兩棲生物對光的感知與適應(yīng)機(jī)制啟發(fā)，提出一種無需封裝、可在水下和陸地穩(wěn)定工作的水陸兩用自供電紫外光電化學(xué)傳感器。基于此，研究團(tuán)隊搭建了全天候?yàn)I水環(huán)境紫外監(jiān)測系統(tǒng)，可在不同天氣條件下實(shí)現(xiàn)連續(xù)、可靠的兩棲紫外監(jiān)測。該研究為面向復(fù)雜環(huán)境的可穿戴光傳感器提供了全新思路，并推動了高性能、多功能的水陸兩用光電系統(tǒng)的發(fā)展。該研究成果以“A Quasi Solid-State Hydrogel/InGaN Nanorod Heterostructure-Enabled Amphibious Sensor for Stable and Cross-Medium Optical Sensing and Monitoring”為題，發(fā)表于國際知名期刊《ACS Nano》，并入選期刊封面論文。

圖1. 本文ACS Nano期刊封面

在可穿戴健康監(jiān)測和環(huán)境感知領(lǐng)域，光電傳感器因其非侵入性、高靈敏度和便攜性，正成為關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，傳統(tǒng)固態(tài)傳感器在濕潤、水下等極端環(huán)境中往往面臨封裝復(fù)雜、柔性差和性能下降等挑戰(zhàn)。近年來，光電化學(xué)（PEC）器件憑借其水環(huán)境兼容性和自供能特性，為構(gòu)建下一代柔性、環(huán)境自適應(yīng)傳感系統(tǒng)提供了全新思路。盡管PEC設(shè)備無需傳統(tǒng)防水封裝，即可在水中運(yùn)行，但其液態(tài)結(jié)構(gòu)的柔性和穩(wěn)定性仍是亟待解決的問題。因此，開發(fā)具備高穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性的新型PEC傳感器架構(gòu)，將為穿戴式光電子系統(tǒng)在極端條件下的實(shí)時監(jiān)測和智能響應(yīng)打開新局面。

有趣的是，生活在海岸潮間帶的招潮蟹，進(jìn)化出獨(dú)特的“兩棲紫外感知”機(jī)制—它們的復(fù)眼內(nèi)含對紫外線高度敏感的視錐細(xì)胞，可實(shí)時監(jiān)測空氣與水中紫外線強(qiáng)度梯度（圖1a）。受此啟發(fā)，本工作采用銦鎵氮納米線為光敏單元（圖1c），開發(fā)了一種基于水凝膠/銦鎵氮納米線異質(zhì)結(jié)構(gòu)的水陸兩棲紫外傳感器（圖1b）。通過調(diào)控銦鎵氮納米線的帶隙，器件在280-420?nm波段內(nèi)表現(xiàn)出強(qiáng)烈光響應(yīng)，而在420?nm以上幾乎無響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對太陽光中有害紫外波段（280-420 nm）的高選擇性檢測（圖2b）。進(jìn)一步，在納米線表面引入碳層鈍化，有效鈍化了納米線表面態(tài)，使器件在385?nm波長下表現(xiàn)出優(yōu)異的光傳感性能（圖1d），包括高響應(yīng)率（130.7?mA/W）和快速響應(yīng)速度（<10?ms）。更重要的是，器件展現(xiàn)出突出的“水陸兩棲”紫外檢測性能--在無任何封裝的情況下，器件可直接在水下工作，且在空氣與水下環(huán)境中均保持穩(wěn)定且一致的光響應(yīng)特性（圖1e和f），體現(xiàn)出良好的環(huán)境適應(yīng)性和實(shí)用潛力。

圖1. 水凝膠/InGaN納米線異質(zhì)結(jié)水陸兩棲光傳感器的設(shè)計以及其水陸兩棲光電性能的表征

在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊構(gòu)建了一個水陸兩用的紫外監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對不同天氣條件下環(huán)境紫外強(qiáng)度的實(shí)時監(jiān)測，包括晴天、陰天、多云及雨天。值得注意的是，即便在陰天，系統(tǒng)仍可檢測到超過1? mW/cm²的紫外輻射，提示公眾“陰天亦需防曬”。此外，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了從06:00至18:00的全天候UV強(qiáng)度連續(xù)監(jiān)測，結(jié)果顯示12-14點(diǎn)為紫外暴露高峰期，且水下紫外強(qiáng)度在此時段甚至可與陸地持平，為海邊活動人群的紫外防護(hù)提供了重要的科學(xué)參考。

圖2. 水陸兩棲紫外線輻射監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用演示

此項研究工作得到國家自然科學(xué)基金項目、中國科大微電子學(xué)院、中國科大微納研究與制造中心和理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心的支持。該研究聯(lián)合武漢大學(xué)劉勝院士團(tuán)隊的東芳副研究員和梁康教授共同完成，我院孫海定教授和武漢大學(xué)東芳副研究員為論文通訊作者。我院博士研究生陳煒和碩士研究生李陽為論文的共同第一作者。