微生物電池驅動高靈敏微納光傳感器系統問世

　　快速發展的物聯網技術需要海量的多種類型傳感器，這些傳感器實時的采集環境信息，不斷更新數據，通過互聯網實現對事物的智能處理和控制。另一方面，日益增長的能源需求是人類現在和今后將持續面臨的最嚴重挑戰之一。為了可持續發展，人類需要發展新的能源技術和降低器件的能源消耗。基于納米材料的光傳感器具有靈敏度高、速度快和能耗低的優點。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動的，這不僅顯著增加了微納器件的體積，而且嚴重限制了器件的使用靈活度，限制了其在大面積環境檢測、化學生物傳感和醫學治療中原位檢測等方面的應用。構建具有傳感、控制、通信和反饋等多種功能的微納系統是納米科技發展的主要目標之一。這樣的微納系統不僅需要微納器件，而且需要驅動微納器件的能量供應單元。為了和微納器件兼容，能量供應單元的尺寸和重量都應和微納器件匹配。雖然利用電池或現有的能量供應單元可以驅動微納器件，但是有效利用環境中的能量構建自驅動的納米系統對于大面積傳感器網絡的構建是大有裨益而必不可少的。例如在污水和污染空氣實時監控方面，低能量消耗、高靈敏和低成本的自驅動納米光傳感器網絡有廣泛的應用前景。目前國際上報道的自驅動微納光傳感器能夠探測到的光強都比較強(W/cm2)，也沒有關于微納光傳感器在環境監控等領域的進一步應用的報道。在環境監控和醫學治療等應用中，人們往往對弱光探測(μW/cm2或更低)的需求更高。

　　美國佐治亞理工學院的王中林課題組的楊青，劉瑩和李澤唐等最近報道了微納復合材料高效微生物電池驅動高靈敏半導體納米線光探測器的工作。該工作具有下面的特點：首先，利用微納復合材料制備微型微生物電池驅動納米線光探測器，制備了一個自驅動高靈敏微納光傳感器系統;其次，發現微納復合材料可提高微生物電池的發電效率，使μL尺寸的微生物電池的功率密度輸出達到30W/m2(相對于電極面積)。目前國際上報道的功率密度為0.01-32 W/m2。器件在這方面是國際上報道的最好的器件之一;最后，自驅動微納光子器件的光探測靈敏度很高，可探測nW/cm2的光，其響應度達到300A /W。對器件的噪音分析顯示器件對紫外、藍光和綠光在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道低2-3個數量級(也就是靈敏度可比國際上已有報道高2-3個數量級)。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，和納米線質量較好，缺陷少。

　　該研究的應用范圍涵蓋環境、健康、能源和通信多個領域，例如在環境領域的污水和氣體污染物監測等方面可獲得廣泛的應用。微納光傳感器系統的應用可降低能源消耗，發展新型超靈敏傳感器網絡，推動微納器件在機械、電學、光學、能源和生物等多個領域的廣泛應用。相關論文發表于德國《應用化學》。