一种层级会聚的缺陷工程修复策略

1.研究背景

多功能传感器在健康监测、环境感知和智能电子等领域具有广泛应用。光电化学传感器与静电场传感器因其高灵敏度而备受关注，尤其是在生物电信号（如表面肌电信号sEMG）检测方面。然而，传统电极存在信号弱、稳定性差等问题，制约了其实际应用。如何精准调控二维材料基异质结器件微结构和能级匹配，进而有效结合光电与静电耦合效应，成为当前智能传感器应用研究的难点。

2.新研究亮点

本研究提出了一种层级会聚的缺陷工程修复策略，构建了ZnO/Bi₂O₃/BiOCl/BP/MXene多维异质结框架的光电电极结构（图1）。通过依次引入二维BP与MXene，精准修复了BiOCl三维框架中的纳米孔缺陷，显著提升了电极的接触面积、能级匹配与载流子传输路径，有效提高了光电与静电耦合性能（图2）。

图3所示通过HRTEM、FFT与EDX等电子显微学表征手段，直观揭示了黑磷（BP）在ZnBiP异质结构中的嵌入与缺陷修复机制，从原子尺度证实了BP不仅能填充三维异质框架中的孔隙缺陷，还能通过Bi–O–P等化学键形成稳定界面结构，为光电化学性能的提升提供了微观结构基础。

核心成果包括：

· 在30 W蓝光照射下，光电流密度达 20.46 μA cm⁻²，是无二维层结构的2.4倍；

· 光与静电场耦合作用进一步增强了载流子传输，提升了AEF检测灵敏度；

· ZnBiPM电极在光照射下的超过1000次循环稳定性评估（总10,000 s，开关周期10 s），电极能达到初始光电流的84.86% （图4）；

· 基于该电极开发的sEMG传感器，在光照下信号幅度提升30–40%，展现出优异的生物电信号检测能力（图5）。

3.科学意义与应用前景

本研究不仅提供了一种层级会聚的缺陷工程修复新策略，还展示了光-静电场耦合在增强生物电信号探测中的潜力。该传感器在可穿戴健康监测、人机交互、柔性电子等领域具有广阔应用前景。未来可进一步优化二维材料基器件结构、能级匹配和器件稳定性，推动其在临床诊断与智能康复设备中的实际应用。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0966