DOI: 10.1002/adfm.202005291
自支撐柔性TiO2納米纖維膜(NFMs)是高性能可穿戴電子器件的理想材料。然而,由于多晶TiO2納米纖維的易碎特性,其實際應用仍然存在巨大的挑戰。在此,通過簡單的元素摻雜方法和靜電紡絲技術可以實現具有強健疲勞強度和光電性能的超柔性TiO2 NFMs。摻雜2mol%Y3+的NFM基光電探測器在350nm光照、3V電壓下表現出優異的紫外探測性能,即4.5 A W-1的響應度、1.6×1011 Jones的探測度和約1.6μA的光電流。通過有效調節Y3+離子的分布和鍵合狀態,NFM顯示出顯著增強的柔性,在不同彎曲狀態(角度,半徑,螺旋狀態)下成功保持了其原始光電流。重要的是,所得的Y3+摻雜TiO2 NFM在約145°彎曲20000次后,仍可保持約60%的原始光電流。在系統分析有限元法獲得的微觀結構特征和應力分布的基礎上,提出了一種合理的彎曲變形機理原型。最后,介紹了一種可穿戴式紫外監測系統,該系統可根據遙控機器人的不同運動組合實時輸出光電流信號。
圖1.a)原始和b)煅燒后Y3+摻雜TiO2 NFMs的照片。c)原始和d)Y3+摻雜TiO2 NFMs的FE-SEM圖像。單根e)原始和f)Y3+摻雜TiO2納米纖維的低倍TEM圖像。
圖2.2mol%Y3+摻雜TiO2 NFM基平面PD的光電性能:a)平面PD的示意圖。b)在黑暗和350nm(0.62 mW cm-2)光照下的I-V曲線。c)在3V偏置和350nm(0.62 mW cm-2)光照下測得的I-t曲線。d)在3V偏置和350nm光照下以不同功率密度測得的I-t曲線。e)光電流隨功率密度的變化。f)計算的平面PD的響應度和探測曲線。
圖3.原始和Y3+摻雜TiO2 NFM基PD在不同彎曲狀態下的彎曲測試:a)以不同半徑彎曲;b)以不同角度彎曲;c)以螺旋狀態彎曲;d)在不同循環中彎曲145°。所有測量均在3V和350nm(0.62 mW cm-2)光照下進行。
圖4.a)Y3+摻雜量分別為0、1、2、3和4mol%的TiO2 NFMs的XRD圖譜,插圖顯示了(101)平面XRD峰的擴大。b)不同Y3+濃度的TiO2 NFMs的TiO2晶粒尺寸變化。c)2mol%Y3+摻雜TiO2 NFMs的HRTEM圖像,插圖是選定區域的SAED圖案。d)2mol%Y3+摻雜TiO2 NFM單根纖維的EDS圖像。
圖5.2mol%Y3+摻雜TiO2 NFMs的XPS光譜:a)全掃描,b)Ti 2p,c)O 1s,和d)Y 3d。
圖6.a)高度彎曲2mol%Y3+摻雜TiO2 NFM的SEM圖像。b)根據先前的微觀結構分析,解釋NFM柔性顯著增強的合理機制的示意圖演示。納米纖維的橫截面顯示了c)原始TiO2和d)Y3+摻雜TiO2的模擬單元。e)原始TiO2和f)Y3+摻雜TiO2縱向截面上的應力分布。g)原始TiO2和h)Y3+摻雜TiO2橫截面上的應力分布。
圖7.Y3+摻雜柔性TiO2 NFM基可穿戴紫外監測系統演示。a)紫外監測系統的照片。在不同光照(L1-L4)下,在b)食指(I1-I3)不同位置以及c)拇指(T1-T3)、食指(I1-I3)、中指(M1-M3)、無名指(R1-R3)和小指(L1-L3)不同位置測得系統的靜態開關I-t特性,在打開4個燈時分別測量。d)在4個燈打開的一系列運動組合中,紫外監測系統的動態開關光響應行為。所有測量均在黑盒中進行。