微生物电池驱动高灵敏微纳光传感器系统问世

图解：自驱动的纳米光探测系统。（a）微生物电池和单根纳米线组成的自驱动系统。（b）微生物电池是用单根氧化锌纳米线覆盖的碳纤维制作而成。碳纤维直径约为5微米（c）光探测器是由单根CdS纳米线所制成，它的直径约为200纳米。

快速发展的物联网技术需要海量的多种类型传感器，这些传感器实时的采集环境信息，不断更新数据，通过互联网实现对事物的智能处理和控制。另一方面，日益增长的能源需求是人类现在和今后将持续面临的最严重挑战之一。为了可持续发展，人类需要发展新的能源技术和降低器件的能源消耗。基于纳米材料的光传感器具有灵敏度高、速度快和能耗低的优点。到目前为止，高灵敏的纳米材料光传感器主要是由外电路驱动的，这不仅显著增加了微纳器件的体积，而且严重限制了器件的使用灵活度，限制了其在大面积环境检测、化学生物传感和医学治疗中原位检测等方面的应用。构建具有传感、控制、通信和反馈等多种功能的微纳系统是纳米科技发展的主要目标之一。这样的微纳系统不仅需要微纳器件，而且需要驱动微纳器件的能量供应单元。为了和微纳器件兼容，能量供应单元的尺寸和重量都应和微纳器件匹配。虽然利用电池或现有的能量供应单元可以驱动微纳器件，但是有效利用环境中的能量构建自驱动的纳米系统对于大面积传感器网络的构建是大有裨益而必不可少的。例如在污水和污染空气实时监控方面，低能量消耗、高灵敏和低成本的自驱动纳米光传感器网络有广泛的应用前景。目前国际上报道的自驱动微纳光传感器能够探测到的光强都比较强（W/cm2），也没有关于微纳光传感器在环境监控等领域的进一步应用的报道。在环境监控和医学治疗等应用中，人们往往对弱光探测(µW/cm2或更低)的需求更高。美国佐治亚理工学院的王中林课题组的杨青，刘莹和李泽唐等最近报道了微纳复合材料高效微生物电池驱动高灵敏半导体纳米线光探测器的工作。该工作具有下面的特点：首先，利用微纳复合材料制备微型微生物电池驱动纳米线光探测器，制备了一个自驱动高灵敏微纳光传感器系统；其次，发现微纳复合材料可提高微生物电池的发电效率，使µL尺寸的微生物电池的功率密度输出达到30W/m2（相对于电极面积）。目前国际上报道的功率密度为0.01-32 W/m2。器件在这方面是国际上报道的最好的器件之一；最后，自驱动微纳光子器件的光探测灵敏度很高，可探测nW/cm2的光，其响应度达到300A/W。对器件的噪音分析显示器件对紫外、蓝光和绿光在10Hz的噪音等效功率分别为5.0×10-18, 1.5×10-17 and 2.8×10-17 W Hz-1/2。噪音等效功率比国际上已有报道低2-3个数量级（也就是灵敏度可比国际上已有报道高2-3个数量级）。噪音降低的主要原因可能是用微纳电源可屏蔽外电路噪音，和纳米线质量较好，缺陷少。该研究的应用范围涵盖环境、健康、能源和通信多个领域，例如在环境领域的污水和气体污染物监测等方面可获得广泛的应用。微纳光传感器系统的应用可降低能源消耗，发展新型超灵敏传感器网络，推动微纳器件在机械、电学、光学、能源和生物等多个领域的广泛应用。相关论文发表于德国《应用化学》。（来源：科学网）