近日，清華大學-富士康納米科技中心李群慶研究員課題組報道了一種利用已經實現了工業化生產的超順排碳納米管薄膜來制備高性能TiO2基紫外線探測器的新方法。利用超順排碳納米管薄膜作為支撐材料，制備得到了高質量的 TiO2 納米線陣列，并實現了紫外波段1.35 × 1016 Jones 的比探測率。

       這種獨特的微納米形貌不僅極大的增強了TiO2材料的紫外探測表現，還被證明了具備獨特的偏振探測性能，這也為其在空間紫外線監測的應用方面奠定了良好的基礎。相關工作以題為“Highly Efficient Visible-Blind Ultraviolet Photodetector Based on Scalably Produced Titanium Dioxide Nanowire Arrays”的研究論文發表在Nano Letters上。

       目前，高質量紫外線監測材料的制備成本依然是業界主要關心的問題之一。這里，TiO2材料以磁控濺射的方式制備在懸空結構的超順排碳納米管薄膜上。一方面，這種制備方法成本可控，并與目前的半導體工藝相容，最大程度上控制了紫外線監測所需寬禁帶半導體材料的制備成本。另一方面，超順排碳納米管薄膜的引入為TiO2材料帶來了優異的表面微納米結構，可以有效的增強紫外光在材料表面的吸收和散射，減少光在表面的反射損失，從而增強這種材料在紫外波段的探測表現。

圖1 制備得到的TiO2納米線陣列及其微觀細節表現

       以此方法制備得到的TiO2納米線陣列的表面積得到了極大的增加，這也直接反映在這類器件的紫外線監測表現上。在功率為7 μW/cm2的365 nm紫外光輻照下，其光探測率可以達到7.7 × 103 A/W，并可以實現1.35 × 1016 Jones的比探測率和2.6 × 104的光增益。另一方面，這種優異的紫外光監測性能也得益于這種獨特的納米線陣列結構，光生載流子沿著TiO2納米線的排布以近似彈道輸運的方式傳輸，也為高質量紫外線監測提供了幫助。

圖2 TiO2納米線器件紫外線監測示意圖及性能表現

       此外，由于此種TiO2納米線陣列可以實現懸空制備，這就使得這種材料可以很好的適應各種類型的硬質和柔性襯底，實現不同襯底上的高質量紫外線監測器制備。實驗表明，在柔性的PI襯底上，這種類型的紫外線監測器可以耐受上萬次的各種類型彎折，并保持紫外線監測性能不變。這也為紫外線監測在可穿戴設備上的實現提供了一種解決方案。

       進一步，由于如此制備的TiO2納米線具備一維準周期結構，從而在線偏振態的入射光條件下，其光電響應隨入射光偏振態的變化呈現標準正弦變化。這種偏振紫外線監測在偏振源識別、環境監測、偏振成像和生物醫學等領域都具有重要的應用價值。通過檢測和分析紫外線輻射中的光的偏振狀態，可以獲得更豐富的信息，為相關領域的研究和應用提供支持。

圖3 PI襯底上的紫外線監測器件制備及其耐久性測試，TiO2納米線陣列的偏振紫外線監測測試

       綜上所述，利用超順排碳納米管作為支撐材料，該項工作發展出了一整套的TiO2納米線陣列制備方法，實現了高質量TiO2材料的低成本、可控大面積制備。這種TiO2納米線陣列體現出了更高的結晶程度和均一的表面微納米結構，這也使得其紫外監測性能有了極大的提升。在這里，超順排碳納米管薄膜被第一次應用于TiO2納米線的制備工藝流程中，利用其已經實現了工業化制備的優勢，也為以此方法制備的半導體納米線材料提供了較好的應用基礎。同時，這種制備思路的提出和驗證也將進一步的拓展超順排碳納米管薄膜的應用領域。

       原文：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c01383