一次性电子元件被应用在一些特定场景中。例如，临床医疗测试应用可以从一次性电子产品中获益良多。然而，目前常见的PCB板或硅基元件成本较高，从经济角度来看，这些电子元件的一次性使用是不可行的。此外，这些PCB板或硅基电子产品的可回收性差，将使电子垃圾成为一个严重的问题。纸基器件可以作为一种有效方案，实现低成本和可生物降解的电子元件，从而解决一次性电子产品的上述问题。目前，将活性材料集成在纸基材上的大部分研究工作都集中在打印法沉积液相剥离的纳米片分散液，形成交联网络/薄膜。然而，为了去除溶剂，长时间的高温热处理是必不可少的环节，这容易造成纸基材或者薄膜的损伤。另一方面，残留的表面活性剂等会阻碍活性材料间的有效接触，从而降低器件整体效能。因此，实现高纯度薄膜在纸上的快速、大面积制备来构建高性能电子或者光电子器件仍旧存在着挑战。
西班牙国家研究委员会（CSIC）的Andres Castellanos-Gomez教授研究团队，与西安电子科技大学马晓华教授团队的青年教师谢涌副教授联合报道了一种简单快捷的研磨技术，在纤维素纸基材上集成半导体器件用于光电探测。采用这种无溶剂策略在纸张表面沉积的WS2薄膜，在宽波谱范围内具有灵敏的光响应，其响应率与商业化的硅光电探测器非常接近。此外，使用这种纸基WS2器件成功组装了一个光谱仪。这项研究工作可促进低成本、一次性光电检测器件的发展。
纸基WS2光电探测器件整体制作工艺
研磨过程中产生的摩擦力可以破坏二维材料层间微弱的范德华键合，从而形成具有交联片层的致密薄膜。所制备的纸基WS2器件在从紫外线（365 nm）到近红外（940 nm）的宽波谱范围内均具有较好的光响应行为。在10 V的偏压下，响应率为~10 mA W-1量级。随着施加的偏置电压的增加，响应率显著增强，在35 V下可达到最大值~270 mA W-1。同时，该研究证实了大气中的氧分子对于WS2器件的电导率和光响应性能具有负面影响。事实上，当在真空中操作时，纸基WS2器件的性能得到了优化。此外，利用叉指型的Au电极在纸上制备了一个具有较窄沟道距离的WS2光电探测器，在5 V的偏压下实现了~200 mA W-1的响应率。最终，采用这种纸基WS2器件组装了一个光谱仪，以证实其在高灵敏光电探测元件中的潜在应用。
图1 纸基WS2器件作为光电探测元件集成到光谱仪中。(a) 光谱仪系统示意图；(b) 使用商业硅光电二极管测量的功率曲线；(c) 使用纸基WS2光电探测器测量的光电流曲线。
该工作以“Solvent-free fabrication of broadband WS2 photodetectors on paper”为题作为封面文章发表在我所主办期刊Opto-Electronic Advances （光电进展）2023年第3期。
研究团队简介
2D Foundry 研究团队隶属于马德里材料科学研究所（西班牙国家研究委员会CSIC的一部分），致力于二维材料，特别是二硫化钼和黑磷等二维材料的光电特性研究。通过将这些二维材料集成在电子器件上，研究其机械、电学和光学性能。Andres Castellanos-Gomez教授是2022年首届西班牙国家青年科学家奖的唯一获奖者。
Andrés Castellanos Gómez教授作为2023年西班牙青年科技奖物理、材料和地球科学领域唯一的获奖者，其研究团队于3月8日获西班牙国王王后接见(Felisa Martín Bravo National Research Award for Young People in the area of physical, materials and earth sciences.)
相关论文
Zhang WL, ？ak？ro？lu O, Al-Enizi A, Nafady A, Gan XT et al. Solvent-free fabrication of broadband WS2 photodetectors on paper. Opto-Electron Adv 6, 220101 (2023).
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