材料学院王金忠教授团队在薄膜基柔性光电探测领域取得重要进展

近日，材料学院王金忠教授团队在薄膜基柔性光电探测领域取得了重要进展。研究成果以《由三角结构单元组成的厘米级蜂窝状硫化铋薄膜用于柔性光电探测器》（Centimeter-Scale and Honeycomb-Like Bismuth Sulfide Film Composed of Triangular Structural Units for Flexible Photodetector）为题发表在国际学术期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。该成果阐述了连续类蜂窝状结构的柔性化优势，为提升柔性器件的性能保持率提供了思路。

柔性探测器能够有效克服机械性能的限制，利用其柔性化可完成曲面等复杂环境中的探测任务。因此，研究与开发柔性光电探测器的重要性不言而喻。柔性探测器与探测材料的结构设计密切相关。目前大多数探测材料是由结构单元堆叠而成的，其经历弯曲后不可避免地会发生断裂，这不利于柔性器件在连续弯曲状态下进行长期工作。然而，柔性光电探测器的机械稳定性和弯曲耐久性对于其实际应用至关重要。

针对这一难题，研究团队考虑到Bi₂S₃材料在云母衬底上可被诱导沿特定方向生长并形成连续交联网络，而将云母衬底大幅减薄可以使其具有优异的柔韧性。鉴于此，研究团队将超薄云母的高柔性和Bi₂S₃特殊的类蜂窝网络结构相结合，成功实现柔性类蜂窝状Bi₂S₃薄膜的可控生长。

结合实验分析，柔性Bi₂S₃光电探测器的响应度和比探测率在不同弯曲半径和多次弯曲/恢复后仍能达到初始值的98%以上，这得益于三角结构单元组成类蜂窝网络结构的优异稳定性。此外，该器件在空气中连续弯曲1周后，其最大电流为弯曲前初始值的90.39%，表明柔性Bi₂S₃光电探测器具有出色的弯曲耐久性、长期稳定性和空气稳定性。这一可靠的柔性探测能力主要是由于具有完整交联结构的柔性类蜂窝状Bi₂S₃薄膜不仅具有增强的结构稳定性，而且有着益于载流子传输的高导电网络，从而有利于柔性器件在长时间连续弯曲条件下实现快速且稳定的探测。该研究工作为连续类蜂窝状结构在柔性器件领域的独特优势提供了重要依据，同时也为新型高柔性的薄膜探测材料的设计及开发提供了新的思路。

哈工大为该论文的唯一通讯单位，材料学院博士生容萍为第一作者，高世勇副教授、贺雯助理教授和王金忠教授为共同通讯作者。

该研究获国家重点研发项目、国家自然科学基金和黑龙江省头雁团队等项目资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202415014

图1 a为柔性Bi₂S₃薄膜生长示意图；b为柔性Bi₂S₃薄膜实物图；c为柔性Bi₂S₃薄膜的SEM图；d为柔性Bi₂S₃薄膜的Raman光谱