柔性电子技术是一种将电子器件和电路制作在柔性塑料或薄金属基板上,从而使得电子器件具有一定的可弯曲性和部分延展性的新兴电子技术。柔性电子器件以其独特的可弯曲、质量轻、可穿戴等特点及其高效、低成本的制造工艺,在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景。柔性电子技术有可能带来一场电子技术革命,因而引起了全世界的广泛关注并得到了迅速发展。

近日,中科院半导体所半导体超晶格国家重点实验室沈国震研究员带领的研究团队,与香港科技大学范智勇教授课题组合作,在柔性紫外成像的研究中取得新进展。相关研究成果发表在美国化学会期刊ACS Nano(DOI: 10.1021/acsnano.7b00749)上。

作为对紫外光的重要应用之一,紫外成像技术在犯罪侦查、漏油探测、火灾监控以及高压线路检测等领域有着广泛的应用。然而传统的紫外图像传感器一般都是基于硅基等刚性衬底,这就决定了其本身无法弯曲,体积较大不易携带,无法满足现代多元社会对其在多个领域,如柔性电子领域的应用需求。与硅基器件相比,柔性紫外图像传感器具有体积小、可弯曲甚至折叠等特点,因而可以和传统的硅基器件形成互补,满足现代社会多元化的需求。


图1 ZnO量子点修饰的Zn2SnO4纳米线在紫外光照下的载流子分离。(a, b)能带图;(c, d)纳米线截面示意图。

在上述背景下,该团队中的博士生李禄东和娄正助理研究员采用在单晶Zn2SnO4纳米线表面修饰ZnO量子点的方法,成功地研制出一种同时具备高光电导增益、低暗电流和快响应速度等优点的柔性紫外图像传感器。该器件制作在柔性PET塑料薄膜衬底上,具有优异的可弯曲性和机械稳定性。如图1所示,由于Zn2SnO4纳米线和ZnO量子点之间形成了II型异质结,实现了光生电子和空穴的有效分离,从而显著提高了其紫外光探测性能,使其光电导增益高达1.1×107,比探测率为9.0×1017 Jones,响应时间仅为47 ms。此外他们还进行了理论模拟,结果与实验数据相吻合。在弯曲条件下,所研制的柔性紫外图像传感器能够有效地对紫外图像进行感应并重现,如图2所示,证明了其在高性能柔性紫外成像方面的潜在应用价值。


图2 (a, b) 柔性紫外图像传感器的光学照片; (c, d) 柔性紫外图像传感器在不同弯曲条件下的测试示意图; (e, f) 柔性紫外图像传感器对应的输出图像。

该项工作为获得高性能柔性紫外图像传感器提供了一个新的设计思路和可行性工艺。经过进一步的研究和改进,有望实现更高的像素集成度并为高性能柔性紫外成像在实际生产和生活中的应用带来可能。

论文链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.7b00749