二维多孔有机聚合物/石墨烯杂化材料：高效紫外选择性探测与自修复柔性突触器件研究

本文报道了一种在液/液界面合成的二维多孔有机聚合物（2D POP）聚酰胺酸（PAA）与石墨烯（G）杂化材料，该材料展现出卓越的紫外（UV）选择性探测性能（R=1401 A W-1，D*=1.9×1012 cm Hz0.5 W-1）和超长记忆功能（>10,000 s）。柔性器件在90°弯曲和20,000次循环后仍保持优异性能，并通过45℃热退火实现自修复。该工作为开发高性能柔性光电器件和神经形态电子学提供了新思路。

　　

二维多孔有机聚合物/石墨烯杂化材料：从高效紫外探测到柔性突触器件

摘要

柔性紫外（UV）敏感光电探测器和光电突触在传感和神经形态计算领域备受关注。本研究在液/液界面合成了大尺寸、平整连续的聚酰胺酸（PAA）二维多孔有机聚合物（2D POP）薄膜，与石墨烯（G）杂化后展现出优异的UV选择性探测能力。在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）柔性基底上，器件在90°弯曲和20,000次弯曲循环后仍保持探测性能，并可通过45℃热退火实现自修复。这种优异的柔性源于PAA的二维共价键骨架的高机械强度、自适应多孔连接以及大量氢键的可逆断裂/重组。此外，PAA/G/PET器件能完美模拟生物突触功能，包括双脉冲易化（PPF）、短时程可塑性（STP）和长时程可塑性（LTP）、STP向LTP的转变，以及脉冲时间/数量/强度依赖性可塑性。通过45秒学习可实现10,000秒的超长记忆时间，且在90°弯曲状态下仍保持突触功能。

1 引言

紫外探测器在军事和民用领域具有重要应用，但传统无机材料在柔性器件开发中面临挑战。二维材料因其高柔性、易加工和可调带隙成为理想选择。石墨烯与有机材料的杂化体系展现出优异的UV探测性能，但多数二维POPs导电性差限制了其应用。本研究通过界面合成方法制备导电性改善的2D POP/G杂化材料，为开发高性能柔性光电器件提供新思路。

2 实验部分

PMDA-TAEPy PAA薄膜在苯/乙醇界面合成，通过FT-IR、XPS、AFM和SEM进行表征。石墨烯通过化学气相沉积法制备并转移到SiO₂/Si或PET基底上。电学测试在手套箱中进行，光源为氙灯配合单色仪。器件性能参数通过标准公式计算。

3 结果与讨论

3.1 PMDA-TAEPy PAA薄膜的界面合成与表征

在液/液界面成功合成大面积平整的PAA薄膜，厚度约3 nm。FT-IR显示1660 cm^-1处的酰胺I带和1704/1410 cm^-1处的羧酸特征峰证实了PAA结构。XPS分析显示N1s可分解为─NH₂（399.18 eV）和─CONH─（400.1 eV）组分，O1s谱显示CONH（531.6 eV）、COO（532.5 eV）和COC/OH（533.6 eV）特征峰。AFM和SEM图像证实薄膜的连续性和平整性。

3.2 SiO₂/Si基底上PMDA-TAEPy PAA/G的高效UV选择性探测

杂化材料在UV区表现出强吸收。器件展示出明显的栅极效应，Dirac点约15 V。在光照下，Dirac点正移约2 V，表明存在光栅效应。300 nm光照下，R和D*分别达到1401 A W^-1和1.9×10¹² cm Hz^0.5 W^-1，R(300)/R(550)=37。EQE和IQE在UV区高达10⁵%和10⁶%，源于光栅效应导致的载流子多次循环。

3.3 PET基底上柔性UV选择性PMDA-TAEPy PAA/G光电探测器

柔性器件在弯曲状态下仍保持性能，R(300)/R(550)提升至约640。经过20,000次40°弯曲循环后，器件仍能可靠工作，R(300)/R(550)保持在150左右。这种优异柔性源于PAA的二维共价网络高机械强度、自适应多孔连接和氢键可逆重组。45℃退火处理可使性能恢复60%以上。

3.4 柔性PMDA-TAEPy PAA/G/PET光电突触

器件成功模拟生物突触多种功能：单光脉冲产生典型的STP行为；双脉冲间隔1 s时表现出PPF效应，PPF指数随Δ