南航国际前沿科学研究院在《Nature Communication》发表论文

近日，我校郭万林院士课题组通过移动光束驱动固-液界面电荷运动并在固体面内实现了持续的电压输出。该研究工作以 “Kinetic photovoltage along semiconductor-water interfaces” 为题发表在《Nature Communication》期刊，第一作者是南京航空航天大学国际前沿科学研究院讲师李基东。

研究背景

不同成分物质接触时会形成异质界面，利用固-固异质界面表现出的独特性质，半导体实现了诸如场效应晶体管、光伏发电、热电制冷以及激光等重要应用。然而，不同于这些传统的全固态异质器件，生命体的功能实现不仅需要固体介质，而且需要借助水/离子液体环境，其中广泛存在的固-液异质界面起到了重要作用。发展新一代的固-液耦合器件可以适应甚至利用广泛存在的液体环境，在能源存储、智能传感、生物医疗等领域展现出广阔的应用前景。

近年来郭万林团队直接利用固-液界面间的耦合作用，发展了多种不依赖化学反应的离子-电子器件结构，形成系列水伏器件用于收集环境中的能量。尽管光照能激发固体中的电荷并调制固-液耦合作用，但常见的光伏效应其光电压的方向一般垂直于异质结界面且在溶液中需借助化学反应，仅依靠液体耦合作用在固体内输出连续电压仍是一个挑战。

成果介绍

该研究发现，将半导体硅片浸没在水中并通过光束照射硅-水异质界面，若沿着界面方向拖动光斑则能在硅片面内产生持续的直流电压输出，且光斑移动方向和硅片的掺杂类型决定了该电压信号的极性。进一步研究表明，动态光照导致的动边界效应会诱导固-液界面电荷聚集和移动，这一过程导致了这种持续的面内而非传统法向的光电压。作者将这一特殊的面内光电压效应称为动光伏效应。

光斑在硅-水界面扫描运动

导致硅片面内电势差示意图

光斑往复运动产生的

电压信号

该研究用水凝胶替代溶液水构筑了硅-水凝胶阵列，演示了太阳光环境下爬虫阴影运动在阵列器件上引起的电响应，这一有趣的实验现象也展现了动光伏效应在传感应用上的可能。原理上该效应还有望拓展到其他半导体和极性液体界面，以此构筑基于固-液界面的新型光电子传感及能量转换器件，从而实现生物环境、水环境中的特殊应用。

太阳光照下卷壳虫在水凝胶-硅阵列上爬行

由于卷壳虫阴影运动导致电响应

作者及团队介绍

李基东博士主要从事表界面物理力学及功能器件的研究工作。国际前沿科学研究院于今年6月正式启动实体化运行，郭万林院士担任院长。前沿院以前沿交叉领域的海内外高端人才引进、高层次人才培养和高水平成果培育为主要职能，目标促进学科深度交叉融合，推动新兴交叉学科方向的发展。研究院计划在水伏科学与技术、航空航天数字化科学与智能技术、先进材料科学与器件技术3个方向建设一系列先进科学研究平台，吸引一批国内外前沿科学研究领域的优秀人才，开展一系列国际一流、具有南航特色的研究工作。该篇论文是前沿院实体化运行以来发表的首篇国际期刊论文。

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出品丨晓南晓航工作室

素材来源丨国际前沿科学研究院

责任编辑丨王伟、赵燕喃

审核丨王晖、许静

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