石墨烯“皺紋”：可植入體內的彈性石墨烯光電檢測器

　　石墨烯這種紅得發燙的二維材料實際上是一種單層碳原子六角晶格，具有寬帶吸收性、高載流子遷移率及可塑性，被廣泛使用在光電檢測器研究中。但因其在可見光及近紅外區的低吸收率，妨礙了石墨烯寬帶光電檢測器的發展，所以目前關于石墨烯光電檢測器的研究多聚集于加強光吸收的混合系統上。然而，這樣一個混合系統結合過程復雜，會因異質界面降低載流子遷移率，或因依靠于等離子或光學共振而使測試帶寬變窄，從而導致使用范圍受限及制造成本增加。

　　在最近的《AdvancedMaterials》上，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的SungWooNam教授課題組報道了一種新型應變調諧彈性石墨烯光電檢測器，處理問題的策略堪稱精妙。該檢測器基于褶皺狀三維石墨烯，這種“皺紋”材料可加強光信號，并可結合膠體光子晶體（colloidalphotoniccrystal,CPC），兼具應變調諧的波長選擇性。這種彎曲的三維結構大幅增加了石墨烯面密度，獲得了大于一個數量級（12.5倍）的消光性，及400%的光電應和加強。此外，通過對材料施加200%的應變，得到了約為100%的光應和調制。從而獲得了一種應變調諧的光學濾波器及彈性石墨烯光電檢測器（圖1）。（CrumpledGraphenePhotodetectorwithEnhanced,Strain-Tunable,andWavelength-SelectivePhotoresponsivity.Adv.Mater.,2016,DOI:10.1002/adma.201600482）

　　研究人員通過合成時對石墨烯底部丙烯酸基質施加預應變，從而在應變釋放狀態下得到三維石墨烯褶皺結構，其消光性分別是平整石墨烯的12.5及6.6倍。而該辦法也適用于其他新興的二維材料，如二硫化鉬（MoS2）等。在此基礎上，研究人員通過結合一個可萌生光電流的波紋結構石墨烯通道，及一個采集光電信號的波紋狀的金觸點，構建了一種高性能光電檢測設備（圖2a）。通過激光照射兩部分連接處測量光電流。在不同單軸拉力應變（0%-200%）下，控制激光打開和封閉時間，得到了應和速度快、重現性好，應和加強達370%的彈性光電檢測器動態光應和數據（圖2c/d）。

　　隨后，研究人員將測試器基底更換為高生物相容性、高柔韌度的硅聚合物，并在人類大腦模型（圖3a）和心臟模型（圖3b）上施加11.1%的拉力彎曲應變。測量結果顯示，所得曲面和平面上電流-電壓（V）曲線相似（圖3c），且在上千次拉伸循環測量中穩定性良好。這意味著這種光電檢測系統在植入式生物醫學和光電子學范疇中具有極高的使用潛能。

　　最后，研究人員將膠體光子晶體嵌入柔性基質中，用作應變調諧的光學濾波器（圖4a）。紫外-可見光譜顯示（圖4b）當應變從0%到30%時，反射峰藍移，且顏色在橙—綠間變化（圖4c），使得該一體化CPC-彈性石墨烯光電檢測器對結合波長選擇性和加強光電應和有神奇的潛力。

　　2015年，中國科學院物理研究所張廣宇研究員課題組也報道過一種基于柔性石墨烯材料的觸覺傳感器（ACSNano,2015,9,1622-1629,DOI:10.1021/nn506341u)。該“電子皮膚”透亮度高，靈巧性好，應和時間為皮膚的十分之一，可承受上萬次壓力探測。

　　相信在不斷深入的研究中，石墨烯柔性測試器會在軍事、醫療健康等方面發揮更高的實用價值。

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