研究背景

柔性半导体器件是开发下一代人机交互光电系统的基本构件，在软机器人、可穿戴健康监测和人工视觉系统中得到广泛应用。最近，二维过渡金属二掺杂物(TMDs)由于具有光-物质相互作用强、载流子迁移率高、机械性能好和化学稳定性好等优点，在柔性半导体器件方面表现出了相当大的竞争潜力。目前，构建基于TMD 的柔性半导体器件的主要策略是将预制器件配置到几何可变形基底上，因为这样可以使 TMD 保持其固有的高光电特性。然而，这种方法需要复杂的微加工技术和复杂的设计考虑，因此大规模生产和与人体集成的可扩展性较差。此外，受限于聚合物基底的机械不匹配性、弱粘附性和较差的透气性/几何保形性，它们几乎无法支持严重的复杂变形和长期的人面应用。

最近，通过湿法纺丝将半导体材料组装成自支撑纤维已被证明是一种潜在的、具有成本效益且可扩展的方法，可用于可编程生产一维柔性半导体器件。与传统的平面器件相比，半导体纤维(SCF)具有独特的优势，如变形自由度高、舒适、可编织、可与纺织品无缝结合等。然而，由于多尺度结构缺陷的不可控性，TMD SCFs 要同时实现高光电和机械性能仍然是一个巨大的挑战。在微观尺度上，TMD 纳米片内部形成的空位或空洞可作为散射中心，降低载流子的迁移率。在中观尺度上，松散堆叠的 TMD 纳米片之间的空隙会增加载流子传输的能量障碍，导致严重的载流子耗散。同时，由于半导体材料之间缺乏强力耦合(主要是范德华相互作用)，纺制的 SCF 总是具有较低的机械强度和耐久性，因此在纺织品生产和日常使用过程中容易断裂。为此，人们尝试了退火、缺陷修复、配向工程和化学焊接等方法来提高 TMD 纳米片网络的电学性能，但由于相邻 TMD 纳米片之间的界面间距大、结阻高，导致立体阻碍和障碍，电荷载流子仍然难以在片间界面上充分转移，尤其是在大变形的情况下。

研究成果半导体纤维(SCEs)对于设计与纺织品无缝结合的下一代可穿戴舒适光电元件县有重要意义然而，由于不可控制的多尺度结构缺陷导致的光电性能差和机械鲁棒性低，目前SCF的实际应用总是受到限制。华中科技大学翟天佑、李会巧教授团队提出了一种多功能的原位分子焊接控制缺陷工程策略，利用共轭二硫醇分子同时修补 MoS₂ 纳米片中的微尺度硫空位、减少中尺度层间空隙/皱褶、促进宏观取向、建立长程光电子渗滤桥并提供n掺杂效应，从而构建超高响应率和坚固的湿法纺丝 MoS₂ SCF。与之前报道的光纤光电探测器相比，衍生出的 MoS₂ SCFs 的响应率(144.3 AW^-1)高出两个数量级，光响应速度(52 ms)是原始对应物的 37.3 倍，并且具有显著的弯曲鲁棒性(在 50 000 次弯曲-扁平循环后仍能保持 94.2%的初始光电流)。MoS₂ SCFS如此优异的稳健性和光探测能力，进一步推动了可靠的智能纺织品光电系统的大规模编织例如可识别方向的无线光报警系统、模块化机械光通信系统和室内光控物联网系统。这项工作为可扩展地生产机械坚固且高性能的 SCF 提供了一种通用策略，为大规模集成可穿戴光电子技术开辟了令人兴奋的可能性。相关研究以“Ultrahigh Responsivity and Robust Semiconducting Fiber Enabled by Molecular Soldering-Governed Defect Engineering for Smart Textile Optoelectronics”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Schematic illustration of the molecularly soldered DMBDA-MoS2 semiconducting fibers for smart textile optoelectronic systems. 

Figure 2. a) Schematic illustration of wet-spinning process for DMBDA-MoS2 fiber. b,f) Schematic illustration of MoS2 and DMBDA-MoS2 fiber. Cross[1]sectional SEM images of MoS2 fiber and DMBDA-MoS2 fiber cut by liquid nitrogen. c,g) The scale bar of the insert image is 200 μm) and FIB d,h). e,i) 3D-reconstructed microstructure of MoS2 fiber and DMBDA-MoS2 fiber by FIB-SEMT. j,k) 2D-WAXD graphs, l) Azimuthal-integrated intensity dis[1]tribution curves, and m) the degree of orientation (Π) and Herman’s orientation parameter (f) of MoS2 fiber and DMBDA-MoS2fiber. 

Figure 3. a,b) High-resolution S 2p spectra and c) FT-IR spectra of MoS2 and DMBDA-MoS2 fiber. d) Raman spectra. e) Stress–strain curves. f) Carrier mobility of MoS2, DMP-MoS2, and DMBDA-MoS2 fiber. g,h) Schematic illustration of inter-sheet charge transport in MoS2 and DMBDA-MoS2 networks. i,j) Electronic band structure of defective MoS2 and DMBDA-MoS2 networks. k,l) The charge density difference plots of DMP-MoS2 and DMBDA-MoS2networks. 

Figure 4. a) Schematic illustration of photodetection test for DMBDA-MoS2 FPD. b) Photocurrent mapping. c) Time-dependent current, and d) light dependent current and responsivity of DMBDA-MoS2 FPD. e) Response time and responsivity of MoS2, DMP-MoS2, and DMBDA-MoS2 FPDs. f) Long[1]time photoresponse of DMBDA-MoS2 FPD after 8 months storage in air. g) Comparison of responsivity and response time of DMBDA-MoS2 FPD with previously reported FPDs. h) Bending angle-dependent and i) Bending cycle-dependent current of MoS2 and DMBDA-MoS2 FPDs. j) Long-time photoresponse of DMBDA-MoS2 FPD after 50 000 bending-flattening times.

Figure 5. a–c) Schematic and optical images of DMBDA-MoS2 textile lantern-based direction-identifiable wireless light alarming system. d,e) Schematic and optical images of the DMBDA-MoS2 textile as a communication device to modulate robotic manipulators actions. f,g) Schematic and optical images of DMBDA-MoS2 textile-based light-controlled IoT system.

总结与展望

总之，本文提出了一种新颖的分子焊接控制缺陷工程策略，可通过湿法纺丝技术构建高性能机械坚固的 MoS₂ 半导体纤维。实验和补充DFT模拟表明，��共轭硫化DMBDA分子同时修复微尺度硫空位，减少中尺度层间空洞，促进宏观取向排列，通过��-电子离域建立长程光电子渗流桥，并提供n掺杂效应。结果，经纺丝的DMBDA-MoS₂ FPD在载流子迁移率、光响应速度（52 ms）和响应率（144.3AW⁻¹）方面提高了7.6倍、37.3倍和17.8倍，以及优异的机械鲁棒性和环境稳定性，可承受50 000次弯曲压平和在空气中存储8个月。考虑到 DMBDA-MoS2 纤维的批量生产能力、大幅改善的光电性能和显著的机械耐久性，可将其直接编织成大规模纺织品用于构建可编程纺织品光电系统，如方向可识别的无线光报警系统、模块化机械光通信系统和室内光控物联网系统。这项工作为开发高性能可穿戴光纤光电子技术提供了一种可扩展的策略。

文献链接Ultrahigh Responsivity and Robust Semiconducting Fiber Enabled by Molecular Soldering-Governed Defect Engineering for Smart Textile Optoelectronicshttps://doi.org/10.1002/adma.202406353

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