图1 光激发二维材料在传感器中的前瞻性应用
近日，上海交通大学环境科学与工程学院李泽晖助理教授课题组，与北京大学物理学院刘开辉教授课题组、中国人民大学物理学院刘灿副教授课题组合作，总结了光激发二维材料传感器件的原理并展望了其在环境等领域的应用。文章分析了二维材料的光子和光电子物理特性，探讨了二维材料在光激发下的多种传感机制，归纳了传感器性能的调控策略，回顾了环境、生物、物理等领域的应用，并讨论了其未来研究重点和挑战（图1）。10月10日，相关成果以“光激发二维材料传感器”（2D Material Sensors with Light Excitation）为题，发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）杂志。
引言
二维材料因其独特的原子层结构和物理特性，在传感应用上展现出强大的潜力。在过去十年中，基于二维材料的高性能传感器（如光纤、电化学、半导体和荧光传感器）被开发，广泛应用于气候预测、环境监测、健康检测、智能农业、航空航天和自动驾驶等领域。尽管二维材料传感器技术随着新材料探索和人工智能集成而不断发展，但对小型化、高灵敏度和多功能性的需求也带来了新的挑战。
二维材料的单层或少层原子层厚度和可调带隙为诱导新兴的非平衡特性和在超快时间尺度上实现新功能提供了广阔的前景（图2）。同时，高质量的二维材料具有高电荷迁移率和低界面散射，适合于光电器件的开发。此外，二维材料的钝化表面使其易于与光子结构（如芯片和光纤）集成。光与物质的相互作用赋予二维材料许多独特的物理特性，包括吸收和发射特性、光电效应、非线性光学效应、表面增强拉曼散射等。这些特性通过特定波长的光激发，能够调控二维材料的电子结构和载流子浓度，从而提升传感性能。因此，深入了解二维材料的光电特性和光激发效应，对推动其传感器的发展具有重要意义。
图文导读
图2 具有不同带隙范围的二维材料显示出从紫外到红外波段的超宽光学响应。
图3 三种典型的光激发二维材料传感机制：（a）光电效应，（b）光电子传输和（c）光致发光。
光与物质的相互作用是现代光学和光电研究的基础。文章凝练了三种典型的光激发二维材料传感的内在光物理机制：光电效应、光电子传输和光致发光（图3）。并归纳总结了调控策略和各类应用，包括光电探测器、半导体气体传感器、光纤传感器等基础应用，以及图像传感器、柔性电子和生物医学传感器等新兴应用。文章还对未来的二维材料传感器设计和应用提出展望：
（1）发展高质量二维材料的大规模可控制备技术。实现高质量、可控性以及扩展二维材料传感器制造水平仍是一个长期挑战。包括尺寸、层数、形貌、取向、相态和晶界等因素都可能影响器件的物理化学特性。定制化开发自下而上的制造方法（如化学外延和物理气相沉积、分子束外延和金属有机化学气相沉积），并对其机制的透彻理解，提高结晶度、层厚和尺寸方面的制造可控性，是获得高性能二维材料传感器件的关键。
（2）发展界面调控及光子/光电器件的集成。尽管二维材料在集成光子和光电器件方面潜力巨大，但从实验室到工业应用仍有很长的路要走。化学稳定性低、光吸收不足、选择性弱是需要注意的三个长期问题。构建范德华异质结、优化欧姆接触、光栅调控和等离子体共振场增强等策略可以改善器件性能，并增强光吸收和激发调制。
（3）发展新型光电器件及光谱技术。创新设备和光学技术（如微型发光二极管）将推动光电传感器的发展。但是基于微型发光二极管等的二维材料传感器仍面临技术瓶颈。同时，深入理解二维材料在光激发后的内在动态过程，将有助于发现新的传感机制，例如超快二维电子光谱学。
作者简介
上海交通大学环境科学与工程学院王坤婵博士后（合作导师为黄勇平教授和李泽晖助理教授）、中国人民大学汪强强博士生和松山湖材料实验室田恩泽副研究员为论文共同第一作者，李泽晖助理教授、刘灿副教授和刘开辉教授为共同通讯作者。第一完成单位为上海交通大学。
合作单位包括北京大学、中国人民大学、松山湖材料实验室、清芯未来（北京）科技有限公司。
本研究获得了国家重点研发计划、北京市科委重大专项、广东省基础与应用基础研究重大项目、中国博士后科学基金和上海交通大学深蓝计划的经费支持。
投稿：上海交通大学环境科学与工程学院李泽晖助理教授课题组。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域最大的学术公号，拥有20W+活跃读者。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的“在看”，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。
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