聚苯胺纳米小球在光电探测器中的应用以及制备方式是什么？

前言

光电探测器可以将吸收的光子能量转化为电流，从而测量光的强度或功率。

这种技术在光通信、成像和遥感等领域得到广泛应用。近年来，对于快速、高灵敏度和宽波段响应的高性能探测器的需求逐渐增加。

尽管传统的硅基探测器技术已经相当成熟，但在实现高性能和小型化方面存在一些限制。

研究表明，当二维原子晶体的厚度减小到原子级别时，它们呈现出与光相互作用强、机械柔韧性优异以及易于多功能集成等特点。

一、聚苯胺纳米小球实验部分

在冰浴条件下，在250毫升的三口烧瓶中加入80毫升去离子水；随后加入1毫升聚苯胺单体，搅拌15分钟。

称取3.0克三氯化铁，溶于5毫升去离子水中，在2分钟内滴加到体系中，然后在N2保护下反应24小时，抽滤，分别用乙醇和去离子水洗涤，真空下在50℃下干燥24小时，即可得到PAN纳米小球。

在制备PAN纳米小球光电化学池工作电极上，将之前制备的PAN纳米小球分散于DMF中，浓度为8 mg·mL⁻¹。

取1毫升制备的PAN纳米小球/DMF分散液，加入1毫升1.0 mg·mL⁻¹的PVDF/DMF溶液。

搅拌均匀后，通过溶液沉积法将这些PAN纳米小球沉积在ITO玻璃片表面，制备出PAN纳米小球光电化学池工作电极，其沉积厚度控制在150～300纳米之间。

使用扫描电子显微镜（SEM，Hitachi-SU8010）和透射电子显微镜（TEM，FEI Tecnai G2 F30）对PAN纳米小球的形貌和尺寸进行表征。采用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR，Nicolet 6700）对PAN纳米小球的结构进行分析。

使用热重分析法（TGA，PerkinElmer Pyris 6 TGA）在氮气条件下以10℃/min的升温速率来评估PAN纳米小球的热稳定性。采用紫外-可见吸收光谱仪（UV-Vis）来测定PAN纳米小球的光学特性，测试波长范围为200～1200纳米。

光电化学性能评估使用模拟太阳光（300～800纳米混合光）或单一波长的激光（如350、380、400、475、520、550和650纳米）照射PAN纳米小球光电化学池工作电极，在控制的周期内使用斩波器来控制激光的开关时间（此工作中为5秒/5秒）。

光电化学工作池采用标准的三电极系统，PAN纳米小球作为光电化学池工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂作为对电极。所采用的电解质为不同浓度的KOH（0.01 M、0.10 M和1.0 M）。

为了了解PAN纳米小球的制备情况，并对其形貌和尺寸进行描述，使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对其进行表征。

通过化学氧化聚合法制备的PAN纳米小球的SEM表征图，可以清晰地看出这些纳米小球具有均匀的尺寸分布。此外，使用TEM进一步对PAN纳米小球的形貌和尺寸进行了表征。

通过化学氧化聚合法制备的球形PAN纳米材料，其尺寸约为120纳米，分布均匀。

所制备的PAN纳米小球的傅里叶变换红外（FT-IR）光谱曲线，从中可以观察到C=N（1568 cm⁻¹）、C=C（1489 cm⁻¹）、C-N（1291 cm⁻¹）、C-H（1142 cm⁻¹）以及N-H（803 cm⁻¹）等键的信号峰，这与文献中的报道一致。

从热重分析（TGA）曲线可以看出，PAN纳米小球的5 wt%热分解温度达到了414℃，这表明所制备的PAN纳米小球具有良好的热稳定性。

采用典型的电化学工作池方法评估了制备的PAN纳米小球的光电探测能力，制备的PAN纳米小球工作电极的光电流密度随电解质浓度的增加而增加。

例如，在0.6V电位和118mW·cm⁻²激光照射下，PAN纳米小球的光电流密度从0.01M KOH条件下的1.71μA·cm⁻²增加到0.10M KOH条件下的3.15μA·cm⁻²，再增加到1.0M KOH条件下的3.62μA·cm⁻²。这主要是因为随着电解质浓度的增加，界面电阻R明显减小。

PAN纳米小球的界面电阻随着KOH浓度变化的趋势：在0.01M KOH下，R1为51.9Ω；在0.10M KOH下，R2为12.1Ω；而在1.0M KOH下，R3为2.4Ω。

值得注意的是，PAN纳米小球表现出优异的光电流响应能力（在0.10M KOH条件下为3.15μA·cm⁻²），优于目前主流的二维材料，如二维黑磷（约380nA·cm⁻²，0.5M KOH）和碲烯材料（242nA·cm⁻²，0.5M KOH）等，表现出巨大的潜在应用前景。

制备的PAN纳米小球的紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）光学吸收曲线，从中可以看出PAN纳米小球具有宽广的光学吸收特性（300～1200纳米波长范围），在紫外、可见和近红外波段具有良好的应用潜力。

为了验证UV-Vis-NIR光学吸收，我们采用了不同波长的激光来研究PAN纳米小球的特性。鉴于高浓度的KOH（1.0M）会对PAN纳米小球的工作电极产生一定的电化学氧化作用，因此我们选择在相对较低浓度的KOH（0.1M）电解质下，研究外界电压、激光波长和强度等参数对其光电化学性能的影响。

PAN纳米小球在0.1M KOH电解质下，光电化学性能随外界电压和激光功率变化的情况。测试过程中使用的入射光光密度如下表所示。为了定量评估制备的PAN纳米小球工作电极在KOH电解质下的光电化学性能，使用以下公式计算光电流密度（Pph）和光响应度（Ｒph）：

其中，Ilight和Idark分别代表有光和无光情况下的光电流强度；Pλ和S分别表示入射到ITO玻璃上PAN纳米小球样品的光功率密度和有效面积。

PAN纳米小球的Pph基本上随着不同波长的激光功率的增加而增加，这与模拟太阳光下的情况一致。

例如，在0.1M KOH条件下，0.6V电压和475nm激光照射下，PAN纳米小球的Pph从1.91mW·cm⁻²的0.52μA·cm⁻²增加到4.33mW·cm⁻²的0.81μA·cm⁻²，再增加到7.01mW·cm⁻²的1.05μA·cm⁻²、10.1mW·cm⁻²的1.35μA·cm⁻²以及10.6mW·cm⁻²的1.37μA·cm⁻²。

这主要是因为入射光强度的增加导致电子-空穴对的更有效分离。在IV级（10.1mW·cm⁻²）和IV级（10.6mW·cm⁻²）下，PAN纳米小球的Pph基本相当，这主要是因为入射光强度相近。

在0.1M KOH条件下，0.3V外加电压产生类似的趋势，如图4b所示。PAN纳米小球的Pph随着入射光强度和外部电压的增加而明显增加，如图4c所示。例如，在0.1M KOH和475nm入射光照射下，PAN纳米小球的Pph从0.3V、10.1mW·cm⁻²条件下的0.26μA·cm⁻²增加到0.6V、10.1mW·cm⁻²条件下的1.35μA·cm⁻²。

这主要是因为外部电压在PAN纳米小球周围形成电势梯度，促进空穴-电子对的分离，从而有利于光电流的产生。这表明通过调节外部电压，可以合理优化PAN纳米小球的光电化学性能。

然而，PAN纳米小球的Ｒph相对于Pλ来说表现出相对稳定的响应性，但是对施加的外部电压变化较为敏感，

例如，在475nm波长、10.1mW·cm⁻²激光照射下，当外部电压从0.3V增加到0.6V时，PAN纳米小球的Pph从0.025μA·W⁻¹增加到0.134μA·W⁻¹。

需要注意的是，在相同条件下，不同波长下的低Pλ（如475nm和650nm）所得到的Ｒph远高于高功率模拟太阳光条件下所得到的Ｒph。

例如，在0.1M KOH条件下，475nm波长、1.91mW·cm⁻²激光照射下，PAN纳米小球的Ｒph（0.272μA·W⁻¹，0.6V）远高于模拟太阳光、26.2mW·cm⁻²激光照射下所得到的PAN纳米小球的Ｒph（0.047μA·W⁻¹，0.6V）。

这说明PAN纳米小球在较低Pλ下表现出更好的Ｒph，更有利于基于PAN纳米材料异质结等新型光电子器件的设计和实际应用。

光电化学响应时间（tres）和恢复时间（trec）分别定义为光电化学响应信号从10%增加至90%的时间以及从峰值的90%衰减至10%的时间。

PAN纳米小球的tres为1.1秒，trec为2.5秒，与目前新型纳米材料，如二维黑磷（tres=0.5秒，trec=1.1秒）相当，表现出其较快的光电化学响应能力。

光电探测器的光电响应稳定性对其长期应用具有重要意义。图6展示了PAN纳米小球在0.1M KOH中的光电化学能力稳定性结果。

在一个月的测试后，基于PAN纳米小球的光电化学能力虽然稍微减弱，但仍然保持着优异的光电化学响应能力，这证明它具备出色的光电响应稳定性。

在9500～9600秒的测试时间范围内，新制备的PAN纳米小球工作电极的光电流密度为105 nA·cm⁻²，而一个月后的光电流密度为93.8 nA·cm⁻²。

相对于新制备的PAN纳米小球工作电极，一个月后的光电流密度减少了10.6%。与新型纳米材料如二维黑磷（减少82%）和铋量子点（减少56.7%）相比，PAN纳米小球在这方面具有明显的优势，表明它在实际应用中具有良好的实用价值。

结语

通过溶液沉积法，制备了PAN纳米小球光电化学工作电极，并将其成功应用于光电化学探测器中。

通过化学氧化聚合法制备的PAN纳米小球表现出优异的光电探测性能。其在光电流密度、光电响应稳定性和光电化学响应速度方面的表现均优于一些新型纳米材料。

这种材料有望在光电子器件领域发挥重要作用，为实际应用提供了有力支持。

真黑科技！中国科学家造出“牵引光束”！科幻成真？有些反常识啊

“随着一束光线落下，整个人都飞了起来，被拉进了上方的飞船。”这是只有在科幻电影中才能看见的画面，现在却正在被科学家们实现。

用光来牵引物体对于公众和科学家来说，都是一个令人激动的话题。虽然听起来有些反常识，但其实并非不可能。

自四百年前德国天文学家开普勒，试图理解彗星尾巴背离太阳的现象以来，人们就逐渐发现光其实也拥有能量和动量。

这一发现，启发了人们为外太空飞行器制作太阳帆的构想。也意味着光束可用于各种类型的光学操作，例如悬浮和旋转。

这不，中国研究人员就开发出了一种使用激光拉动宏观物体的方法，是激光牵引首次用于较大物体的案例之一。之所以这么说，是因为以前已经有不少微纳物体的光学牵引案例。

在过去的几十年中，科学家已经在真空、气体介质和液体中实现了包括悬浮、推动和旋转在内的各种光学操作，其中最典型的方法要属“光镊”和“激光原子气体的冷却”。

以光镊为例，顾名思义就是用光做的镊子。这是固定尺寸极小的物体，例如细菌、病毒等用以观察的重要工具。而这背后的原理其实并不复杂。

日常生活中，我们经常能看到光穿过玻璃、水等透明介质时会发生折射。而光也是拥有动量的，所以当其运动方向发生改变时，也就存在力的作用。

基于此，假设当一束激光通过玻璃小球的右侧并向左折射时，相当于光受到了一个向左的力，同时也给玻璃小球带去了一个向右的反作用力。

因此两束平行的光就能锁住玻璃小球，反之就能移动玻璃小球。甚至通过控制光线的焦点，还能将小球“吸”向光源方向。

于是基于此原理，在1987年，科学家无意中发现，可以用一束激光实现对细菌这样的活生命体的无损伤的三维捕获，自此基于激光的光镊技术诞生了。

但自上个世纪90年代以来，此类技术的研究进展非常缓慢，始终停留在微观层面。因此科学家们一直在研究新型的光学操作，基于动量传递和能量传递的物理原理，提出了多种光束牵引方案。

例如由中国研究人员于近期发表在《Optics Express》上的研究，就介绍了一种在稀薄气体中，激光对宏观物体的牵引方式，也是激光牵引首次用于较大物体的案例之一。

上图：激光可用于将宏观物体拉向它

为此，他们开发了一种石墨烯气凝胶/二氧化硅的双层复合结构，当用激光照射时，该结构在远离激光的一侧变热，产生一个反向的温度差。

这意味着该结构背离激光的一面的气体分子会收到更多的能量，并将物体推向光源。将这一点与稀薄气体环境的低气压相结合，研究人员能够获得足以移动宏观物体的激光拉力。

上图：激光拉力的测量原理

而为了获得更精确的数据，在实验中，研究人员选择使用轻质扭摆装置定性地描述了激光牵引现象，用重力摆装置测量了激光牵引力。并在真空室内进行，内部空气压力为5 Pa。

在没有激光照射的情况下，扭摆不动。随后一束波长为532nm的连续高斯激光束，从右至左照射在石墨烯气凝胶/二氧化硅的双层复合结构的背面——二氧化硅层上。

上图：宏观激光拉动机理及扭摆实验装置

而当照射在材料上的激光功率达到60mW，观察到扭摆逆时针旋转，宏观石墨烯气凝胶/二氧化硅样品被拉向光源。

此外，为研究激光功率与扭摆转角之间的关系，他们利用波长为488nm的激光束照射在材料上，并通过将激光功率逐渐从17mW增加到85mW，发现扭摆的最大旋转角度从1°增加到8.3°。

上图：不同激光波长的宏观激光拉动

最终更令人兴奋的是，他们发现产生的拉力比光压大三个数量级以上。并且激光拉动是可重复的，而且力还可以通过改变激光功率来调控。

不过需要注意的是，研究人员警告说，这项工作只是概念证明，该技术的许多方面都需要改进才能实用。未来还有很长的路要走。

但无论如何，该实验成功将光学牵引的范围从微观扩展到宏观，不再像之前那样只能控制细菌病毒，为宏观光学操作提供了有效的技术途径。

同时研究人员表示，他们用来演示该技术的稀薄气体环境与在火星上发现的环境相似。因此，它有可能有一天操纵火星上的车辆或飞机。

因此咱们完全可以大胆想象一下，航天员从飞船上射下一段光束，照在火星车上，火星车就飞离火星表面，被召回了。这是多么美妙的一件事情啊！

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