《Journal of Alloys and Compounds》：Under-seawater immersion of vertically-aligned ZnO dual-band UV photodetector for high-fidelity wireless optical communication
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水下无线光通信技术具有高带宽、低延迟等优势，ZnO纳米棒阵列通过水热法可控合成并构建自供电光电化学探测器，实现365nm和395nm双波段水下检测，响应速度达108毫秒，探测度1.35×10^11 Jones，海水环境中稳定传输"SNUT"信息。
作者：帅仁 | 康福 | 吕一洲 | 彭荣 | 廖淼 | 彭旺 | 陈伟鹏 | 于奇
中国陕西科技大学材料科学与工程学院，汉中 723001
摘要
水下无线光通信（UWOC）技术具有高带宽、低延迟、高安全性和无需电池运行的优点，这在深海探索等复杂应用中具有潜力。自供电光电化学（PEC）光探测器因其快速响应速度、可调光响应和简单结构而成为研究重点。本文通过水热法合成了ZnO纳米棒阵列（NRAs），有效调控了其形态和尺寸。制备的样品在基底上具有高度取向性和均匀分布，平均直径约为100纳米。利用ZnO NRAs作为工作电极，开发出一种PEC紫外光探测器，成功实现了365纳米和395纳米波长的双频自供电水下检测。当暴露在365纳米入射光下时，ZnO NRAs光探测器在零偏压下的响应速度高达108毫秒，响应度和探测率分别达到7.66 mA/W和1.35×10^11 Jones，开/关比超过8×10^3。此外，浸入海水的ZnO NRAs光探测器表现出优异的循环稳定性和高光敏性。在真实的海水环境中，ZnO NRAs光探测器在无线光通信中实现了高保真度和高精度，能够准确传输“SNUT”这三个字母。有理由认为ZnO NRAs PEC器件可以应用于各种复杂的水下探索任务。
引言
通信技术已成为军事和民用领域不可或缺的重要组成部分[1]、[2]、[3]。随着深海探索的不断发展，水下光通信技术因其高带宽、低延迟、强大的抗干扰能力和成本效益而成为水路系统中的关键环节[4]、[5]。与传统光通信相比，水下无线光通信（UWOC）不仅具备上述优势，还消除了复杂的布线和复杂结构，在多个领域展现出巨大潜力[6]、[7]、[8]。作为UWOC系统的基本组成部分，自供电光探测器负责在零偏压下高效转换光信号和电信号。因此，对高性能自供电光探测器的研究需求十分迫切。其中，自供电光电化学（PEC）光探测器因其高灵敏度、简单结构、防水性能和可调光响应而受到广泛关注[9]、[10]。
光探测器的检测性能很大程度上取决于其使用的光敏材料。目前，半导体材料因其高光电转换效率、可调带隙和环境友好性而成为研究热点[11]。其中，ZnO具有多种优异特性，包括高载流子迁移率、宽带隙、大的激子结合能、环境兼容性和低成本，使其成为紫外光检测的关键材料[12]、[13]、[14]。显然，半导体材料的形态和尺寸直接影响其性能。一维（1D）纳米棒具有高纵横比、大的比表面积、定向载流子传输和优化的界面工程[15]、[16]。此外，1D阵列结构可以增强入射光的捕获效果，从而显著提高光检测性能[17]、[18]。目前，关于利用1D ZnO进行UWOC的研究相对较少。Tang等人合成了掺镓的ZnO纳米线，构建了一个光通信系统，实现了对紫外光的159毫秒响应速度[19]，但该研究仅关注了传统电解质中的光通信能力，未探讨其在海水中的实际应用。因此，开发1D ZnO纳米棒阵列（NRAs）对于促进海洋环境中的UWOC至关重要。
目前，大多数报道的水下光通信设备仅限于单一波长带，这限制了它们执行多任务协同检测的能力。与单波段设备相比，双波段探测器具有更好的多协议兼容性、更高的安全性和同时测量多个参数的能力，从而提高了它们对UWOC复杂需求的适应能力[20]、[21]。因此，构建1D ZnO NRAs和组装双频自供电PEC光探测器对于实现UWOC至关重要。然而，据我们所知，采用ZnO NRAs的自供电UWOC研究仍然相对有限。
在本研究中，通过水热法在FTO基底上高效制备了一系列ZnO NRAs，并系统分析了其表面形态、晶体结构和元素组成。此外，还利用合成的ZnO NRAs开发了一种自供电双频PEC紫外光探测器。在365纳米和395纳米波长下对该设备的水下光检测性能进行了全面评估。特别是，在真实海水条件下研究了ZnO NRAs光探测器（NRAs PD）的UWOC应用。最后，阐明了自供电光检测的机制。
章节片段
ZnO NRAs的合成
ZnO NRAs是通过典型的水热法合成的，制备流程图如图1a所示。首先，通过离子溅射在FTO基底上沉积ZnO种子层，并在300℃下退火2小时以提供合适的生长位点。在典型的实验中，将等浓度的硝酸锌六水合物（Zn(NO3)2·6H2O）和六亚甲基四胺（C6H12N4）（0.5、0.6、0.7和0.8 mmol）彻底混合在去离子水中，形成均匀溶液
结果与讨论
使用SEM和EDS表征了ZnO NRAs的形态和元素分布，结果如图1和S1所示。对于ZnO NRAs@1样品，可以看出大量ZnO NRAs均匀生长在基底表面，形成了高度均匀的纳米棒阵列（图S1a）。从放大视角来看，样品具有典型的棒状结构，形态清晰，直径约为87纳米（图S1b）。EDS
结论
总之，使用简便的制备方法成功实现了ZnO NRAs的可控合成，这些纳米棒在基底上生长，排列有序且边界清晰。基于ZnO NRAs直接制备了一种新型PEC PD，在自供电模式下能够高效检测365纳米和395纳米光，响应速度达到毫秒级别。此外，D*达到1.35×10^11 Jones（在6.38 mW/cm^2的功率下），开/关比超过8×10^3
CRediT作者贡献声明
吕一洲： 形式分析。
彭荣： 撰写 – 审稿与编辑。
廖淼： 方法学研究。
彭旺： 实验研究。
陈伟鹏： 形式分析。
于奇： 监督，项目管理。
帅仁： 撰写 – 初稿。
康福： 构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号22473071）、NSFC单原子催化中心（项目编号22388102）、陕西省自然科学基础研究计划（项目编号2025JC-YBQN-698）、陕西省教育厅科学研究项目（项目编号24JK0372）、陕西省人才引进计划“三秦青年计划”（项目编号Z20250158）以及陕西省引进人才科学研究启动计划的支持
