Research|多维异质结光电电极为可穿戴传感器提供新方案

1.研究背景
多功能传感器在健康监测、环境感知和智能电子等领域具有广泛应用。光电化学传感器与静电场传感器因其高灵敏度而备受关注，尤其是在生物电信号（如表面肌电信号 sEMG）检测方面。然而，传统电极存在信号弱、稳定性差等问题，制约了其实际应用。如何精准调控二维材料基异质结器件微结构和能级匹配，进而有效结合光电与静电耦合效应，成为当前智能传感器应用研究的难点。
2.新研究亮点

本研究提出了一种层级会聚的缺陷工程修复策略，构建了 ZnO/Bi₂O₃/BiOCl/BP/MXene 多维异质结框架的光电电极结构（图1）。通过依次引入二维 BP 与 MXene，精准修复了 BiOCl 三维框架中的纳米孔缺陷，显著提升了电极的接触面积、能级匹配与载流子传输路径，有效提高了光电与静电耦合性能（图2）。图1 ZnBiPM 电极制备示意图图2 ZnBiPM 电极结构示意图与能级结构图

图3所示通过 HRTEM、FFT 与 EDX 等电子显微学表征手段，直观揭示了黑磷（BP）在 ZnBiP 异质结构中的嵌入与缺陷修复机制，从原子尺度证实了 BP 不仅能填充三维异质框架中的孔隙缺陷，还能通过 Bi–O–P 等化学键形成稳定界面结构，为光电化学性能的提升提供了微观结构基础。

图3 ZnBiP 电极的高分辨透射电镜（HRTEM）分析
核心成果包括：
在30 W蓝光照射下，光电流密度达 20.46 μA cm⁻²，是无二维层结构的 2.4 倍；
光与静电场耦合作用进一步增强了载流子传输，提升了 AEF 检测灵敏度；
ZnBiPM 电极在光照射下的超过 1000 次循环稳定性评估（总 10,000 s，开关周期 10 s），电极能达到初始光电流的 84.86% （图4）；
基于该电极开发的 sEMG 传感器，在光照下信号幅度提升 30–40%，展现出优异的生物电信号检测能力（图 5）。图4 光电流性能稳定性图5 sEMG 信号增强的传感器应用
3.科学意义与应用前景
本研究不仅提供了一种层级会聚的缺陷工程修复新策略，还展示了光-静电场耦合在增强生物电信号探测中的潜力。该传感器在可穿戴健康监测、人机交互、柔性电子等领域具有广阔应用前景。未来可进一步优化二维材料基器件结构、能级匹配和器件稳定性，推动其在临床诊断与智能康复设备中的实际应用。

4.作者简介

曾玮，现任安徽大学集成电路先进材料与技术产教研融合研究院副院长。2013 年 6 月毕业于武汉大学，获微电子学与固体电子学博士学位。现阶段主要从事智能传感器件（如应力、电磁、电化学耦合传感器件等）及装备研发；新型光伏器件（如钙钛矿太阳能电池等）及配套装备的整合研究；新型储能器件（如超级电容器等）的性能提升及产业化开发。现主持或参与国家级/省级/产学研项目 20 余项，发表学术论文 90 余篇，授权与申报发明/实用新型专利 30 余项。
熊祎，现任武汉纺织大学分析测试中心电子显微镜平台技术主管。2014 年 12 月毕业于武汉大学，获材料物理与化学博士学位。现阶段主要从事分析测试表征技术, 功能材料的电子显微学, 智能传感器件（柔性可穿戴电子器件，如应力、光敏、气敏、接近、电磁、电化学）的材料优化、器件设计、仿真模拟、功能耦合及应用, 纺织科技考古等方面研究。现主持或参与省级/产学研项目 10 余项，发表学术论文 70 余篇，申报发明专利 3 余项。

靳硕学，现任中国科学院高能物理研究所副研究员。2013 年 6 月毕业于武汉大学，获粒子物理与原子核物理博士学位。现阶段主要参加第四代高能同步辐射光源（HEPS）高分辨谱学线站的建设工作和北京同步辐射装置（BSRF）4W1B 荧光微分析线站的运行工作；从事金属材料、半导体材料、功能材料等微观缺陷表征研究。现主持或参与国家级/省级/产学研项目 10 余项，发表学术论文 100 余篇，授权与申报实用新型专利 10 余项。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/3hEauxs4Sm2Gm0n1Lky4dQ