本文介绍了一项关于光热电（Photothermoelectric, PTE）器件的研究，该研究由Zhemiao Xie、Jiaqi Wang、Guanxuan Lu和John T.W. Yeow等作者共同完成，发表在2023年10月的《Materials & Design》期刊上。研究团队来自加拿大滑铁卢大学系统设计工程系的先进微纳器件实验室。该研究提出了一种基于二碳化钼（Mo2C）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）纳米材料的自供电PTE器件，能够在室温下工作，并展示了其在运动追踪和无损检测（NDT）成像系统中的应用潜力。

研究背景

红外光电检测在夜视、热成像、遥感、医疗诊断和安全系统等领域具有重要应用。然而，传统的红外探测器依赖于晶体外延半导体材料，如硫化镉晶体、砷化镓和锑化铟等，这些材料虽然具有独特的探测能力，但其制造成本高、操作复杂且存在安全隐患。光热电机制（PTE）作为一种新兴的红外辐射能量转换机制，具有宽带辐射吸收、无需偏置支持、低等效功率等优势，因此备受关注。二碳化钼（Mo2C）作为一种二维过渡金属碳化物纳米材料，因其超导性、低热导率、强电阻性和耐腐蚀性等特性，在气体演化纳米电催化剂、双功能电极、电磁干扰屏蔽和光电探测器等领域取得了显著进展。然而，目前关于Mo2C在光子探测中的性能研究较少，且现有的基于二维纳米材料的PTE器件在操作复杂性和稳定性方面存在挑战。

研究流程

研究团队通过喷雾涂层技术和激光掩模技术，成功制备了基于Mo2C/PEDOT:PSS纳米材料的柔性PTE器件。具体流程包括以下几个步骤：

1. 材料合成：首先，将不同浓度的Mo2C粉末溶解在二甲基亚砜（DMSO）溶液中，经过超声处理和磁力搅拌后，通过离心分离得到Mo2C纳米片。随后，将Mo2C纳米片与PEDOT:PSS溶液混合，经过24小时的磁力搅拌，得到Mo2C/PEDOT:PSS复合材料。

2. 器件制备：将Mo2C/PEDOT:PSS溶液通过喷雾涂层技术均匀喷涂在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上，并使用激光掩模技术进行图案化处理。经过多次喷涂和烘烤后，器件表面沉积了钛（Ti）和铝（Al）电极，最终形成了3×3像素阵列的PTE探测器。

3. 性能测试：研究团队对制备的PTE器件进行了多项性能测试，包括电流-电压（I-V）曲线测量、时间响应测试、Seebeck系数测量以及探测器的响应率和探测率测试。通过这些测试，验证了器件在室温下的光热电转换性能。

主要结果

研究结果表明，Mo2C/PEDOT:PSS器件在973 K黑体辐射下表现出优异的性能，响应率达到4.2 V/W，探测率为1.2×10^8 cm Hz^1/2/W。此外，器件在长期稳定性和机械柔性方面也表现出色，能够在折叠和扭曲的情况下保持性能稳定。基于这些优势，研究团队成功集成了两种潜在的应用系统：运动追踪系统和无损检测成像系统。运动追踪系统能够实时追踪人体辐射，而无损检测成像系统则展示了高分辨率的成像能力，适用于工业、航空航天、公共健康和安全等领域。

结论

该研究提出了一种基于Mo2C/PEDOT:PSS纳米材料的自供电PTE器件，具有优异的室温光热电转换性能、长期稳定性和机械柔性。通过优化Mo2C浓度和采用喷雾涂层技术，研究团队成功实现了器件的高效制备和性能提升。该器件在运动追踪和无损检测等领域的应用展示了其广泛的应用潜力，特别是在工业制造、医疗监测和可穿戴电子设备等方面。

研究亮点

1. 高性能光热电转换：Mo2C/PEDOT:PSS器件在室温下表现出优异的光热电转换性能，响应率和探测率均达到较高水平。
2. 长期稳定性和机械柔性：器件在长期使用和机械变形条件下表现出良好的稳定性，适用于柔性电子设备。
3. 创新制备技术：采用喷雾涂层和激光掩模技术，实现了器件的精确控制和高效制备。
4. 广泛应用潜力：研究展示了器件在运动追踪和无损检测等领域的应用前景，具有重要的科学和应用价值。

其他有价值的内容

研究团队还探讨了Mo2C/PEDOT:PSS复合材料的热电性能优化机制，通过调整Mo2C浓度和基底材料，进一步提升了器件的光热电转换效率。此外，研究还详细分析了器件的热导率和电导率对性能的影响，为未来PTE器件的设计和优化提供了重要参考。

这项研究为光热电技术的发展提供了新的思路和方法，展示了Mo2C/PEDOT:PSS复合材料在红外探测和能量转换领域的巨大潜力。