综述：基于静电纺丝技术的智能光电子与电子器件

《Chemical Society Reviews》：Intelligent optoelectronics and electronics based on electrospinning technology

　　电纺（ES）技术作为一种尖端技术，已经在下一代智能光电子学和柔性电子产品的开发中展现出巨大潜力，这得益于其高产量的生产能力、结构上的多样性以及多功能性。电纺纳米纤维（NFs）凭借其高的比表面积、结构上的适应性以及可定制的特性，成为了传统材料和制造策略的有力替代品。尽管在研究方面取得了显著进展，但对于基于ES的智能（光）电子设备中结构-性能关系的优化以及可扩展集成技术的系统理解仍然不足。在这篇综述中，我们全面总结了ES NFs在智能电子和光电子系统中的最新进展，包括光电探测器、突触器件、晶体管和气体传感器等方面。接下来，我们详细分析了通过控制结晶度、缺陷工程和异质结构设计来调节性能的机制，展示了这些微观策略如何提升设备的性能和多功能性。此外，我们还讨论了ES技术的更广泛影响和持续存在的技术瓶颈，并指出了未来研究的关键方向。最后，我们强调了精确的多尺度工程和创新设计对于将ES NFs推向智能、多功能且商业化应用的重要性。

1. 引言

随着人工智能、自动驾驶和可穿戴电子等先进技术的快速发展，光电子和电子设备正朝着小型化、高集成度和多功能性的方向发展。为了满足各种应用场景的需求，工业生产对电导率、结构稳定性和材料柔韧性提出了更高的要求。因此，开发具有精确空间控制能力和协同功能整合的材料系统已成为一个关键的科学挑战。虽然传统方法能够提供稳定性，但它们往往难以无缝整合多维异质结构，而这正是下一代电子设备所必需的。电纺纳米纤维（NFs）由于其高比表面积、优异的柔韧性和良好的电学性能，已成为构建高性能设备的基本构建块。已经开发出多种技术来制备一维材料，如化学气相沉积和模板辅助方法。然而，这些方法通常存在局限性，包括需要复杂的设备、高成本以及有限的过程控制。相比之下，电纺（ES）是一种简单、低成本且高度通用的方法，非常适合制备具有多种结构和功能的一维NFs。ES能够高效生产NFs，并提供了可调的处理参数（如溶液组成、喷嘴设计和收集器配置），从而精确控制材料的形态、结构和性能。至关重要的是，ES在自下而上的分子设计与自上而下的结构组装之间架起了桥梁，为在纳米尺度上工程设计电荷传输提供了一个独特的平台。基于这些优势，ES技术在高性能设备集成和功能定制方面显示出巨大潜力，已在光电子学、柔性传感和能量转换等领域得到广泛应用。

到目前为止，已经使用ES技术成功制备了数百种聚合物、无机化合物和一维复合材料。电纺纤维的组成多种多样，可以通过结合聚合物、胶体、小分子和复合材料来调整，以适应各种应用的特定物理和电学性能。例如，通过调节元素比例来调整NFs的粒度，可以实现从半导体到导体的行为转变，从而构建全ES电子设备。此外，电纺纤维展现出了多种结构配置，其中核壳型NFs是最具代表性的例子。这种结构反映了单纤维内部的微观异质性，通常通过同轴电纺实现。超越微观尺度，通过修改注射设置还可以构建空间异质结构，使不同组成的纤维相互交织。这种宏观异质结构使得材料设计更加分层，进一步扩展了ES在特定设备架构中的应用潜力。随着研究的继续，ES已被应用于制备各种先进设备，如光电探测器、突触器件和气体传感器。这些研究展示了ES技术在电子和光电子设备中的巨大潜力。尽管取得了这些进展，目前的大多数研究仍然集中在特定的材料系统或单一设备类型上，缺乏跨不同设备类别的比较研究。此外，构建结构决定型和/或界面驱动型基于ES的智能（光）电子设备的系统策略仍然缺失。因此，需要一个全面的综述来总结ES NFs在智能电子和光电子设备中的结构特征、性能改进和应用途径。这将为未来的研究和ES设备的发展提供宝贵的理论见解和实践指导。在这篇综述中，我们重点关注ES NFs在智能电子和光电子设备中的最新进展。首先，我们简要回顾了ES的发展历史并介绍了其基本工作原理。然后，详细讨论了各种ES技术，包括参数控制和设备优化。接下来，我们强调了基于ES在微观和宏观尺度上的调控机制。最后，系统地总结和分析了电纺NFs在关键设备（如光电探测器、突触器件、晶体管、气体传感器和摩擦电发生器）中的应用，如图1所示。

2. 电纺技术的发展

2.1 电纺的基础原理

电纺纳米级纤维的过程是通过在静电场的作用下旋转和拉伸聚合物溶液或熔体来实现的。这是一种简单实用的技术，广泛应用于NFs的生产。从历史上看，它的起源可以追溯到17世纪伊丽莎白一世时期，当时威廉·吉尔伯特发现带电的琥珀可以使附近的水滴变形成圆锥形，并最终使其喷射出更小的水滴。这一现象为电液动力学理论的发展奠定了基础。1887年，查尔斯·博伊尔斯观察到可以在电场下从粘弹性液体中拉出纤维，标志着向ES概念迈出的重要一步。1902年，约翰·库利和威廉·莫顿引入了“电纺”这一术语，并为该技术申请了两个专利。随后，约翰·泽莱尼对电场中液滴的表面行为进行了研究，并试图在1914年建立数学模型。1938年，研究人员首次将电纺纤维实际应用于制造防毒面具的过滤材料。1964年，杰弗里·泰勒提出了泰勒锥的概念，并发表了一系列基础研究，开启了电纺的理论探索。

此后，该领域经历了一段停滞期，直到20世纪90年代初，电子显微镜技术的进步使得纳米级的表征成为可能。研究人员证明多种聚合物可以通过电纺方法制成NFs，重新激发了人们对这一技术的兴趣，并促进了ES的更广泛应用。自1995年以来，雷兹尼克、霍曼等人的理论研究集中在拉伸、鞭打不稳定性和泰勒锥形态上，加深了对纤维形成机制的理解。随着理论的不断发展，ES的应用范围扩大到了制备复合和陶瓷NFs、核壳结构以及空心纤维纱线。21世纪初，ES技术在制备无机NFs（包括各种氧化物和硫属化合物基材料）方面受到了广泛关注。

如图2所示，ES技术如今被广泛认为是生产超细纳米纤维的技术。ES装置通常分为远场ES和近场ES两种类型：前者喷嘴到收集器的距离为几厘米到几十厘米，常用于制备随机或非织造的NFs；后者在相对较低的电压下可以产生对齐良好且图案化的纤维。这两种技术都被广泛用于新兴的电子和光子器件的材料加工。无论采用哪种模式，基本的ES装置都包含三个不可或缺的组件：高压电源、注射泵和收集器。

3. 基于电纺技术的智能（光）电子概述关于参数优化的详细讨论将在以下部分提供。

2.2. 电纺工艺的方法论

电纺（ES）技术在制造连续纳米纤维（NFs）方面具有显著的优势。然而，实验结果会受到内部和外部因素的影响。通过控制各种参数并在电纺过程中改进设备，可以获得不同形态的纳米纤维。相关调节方法将在下一节中介绍。

2.2.1. 前驱体设计与工艺参数

连续且均匀的电纺纳米纤维的形成取决于前驱体溶液的固有性质与加工过程中应用的外部参数之间的相互作用。前驱体溶液提供了决定是否能够形成并维持稳定射流的分子基础。聚合物类型、分子量和浓度的选择直接影响到溶液中链的缠结程度。如图4所示，例如PAN（聚丙烯腈）、PVP（聚乙烯醇）、PS（聚苯乙烯）和PVDF等代表性聚合物具有不同的分子结构，这些结构影响了它们的溶解度、粘度和介电响应。足够的链缠结对于确保射流的 cohesive stretching（连贯拉伸）至关重要。过高的浓度会增加粘度并阻碍稳定Taylor锥的形成，而浓度不足则会导致射流破碎和电喷不均匀。这些行为起源于分子层面，其中聚合物链足够重叠以抵抗拉伸过程中的毛细断裂。

前驱体设计的示意图。溶剂的选择通过影响粘度、表面张力和介电常数进一步调节溶液的行为。DMF（N,N-二甲基甲酰胺）、乙醇、水、THF（四氢呋喃）和丙酮等溶剂的挥发性和溶解能力各不相同。这些性质决定了聚合物链的扩展程度以及射流暴露于电场后溶剂的去除速率。具有强溶解能力的溶剂有助于均匀分散，而高挥发性的溶剂则促进快速固化。当聚合物、溶剂和功能性添加剂结合时，前驱体溶液可以表现出广泛的行为，特别是当引入无机、碳基或混合纳米材料时。聚合物链与纳米材料之间的相互作用可以改变溶液的粘弹性响应，从而影响纤维的均匀性和表面形态。通过将半导体聚合物、量子点、金属氧化物或硫属化合物颗粒以及等离子体成分加入纺丝溶液中，可以定制纤维网络中的光吸收、载流子传输和介电响应。因此，前驱体系统的合理设计不仅确保了稳定的电纺过程，还赋予纳米纤维电子和光电子设备所需的特定功能。除了固有的溶液因素外，外部工艺参数还决定了射流离开针头后的演变过程。施加的电压、溶液流速以及针头与收集器之间的距离共同决定了电场分布、Taylor锥的形成为以及射流的拉伸程度。实际上，施加的电压通常在10到25 kV之间调整，这取决于前驱体溶液的导电性和表面张力以及装置几何结构。需要一个最小的阈值来克服表面张力并生成稳定的射流，而适中的电场则促进带电长丝的连续变细，从而形成均匀的纤维。当电压设置得过高时，射流会发生严重的抖动和分支，导致形态不规则和珠状缺陷。溶液流速通常在0.1到1.0 mL h?1之间，控制单位时间内输送到针尖的液体体积。流速过低会导致射流间歇性喷射，并可能破坏沉积纤维的连续性。相比之下，流速过高会导致拉伸不足和溶剂蒸发不完全，从而产生粗纤维或珠状串结构。针头到收集器的距离通常设置在10到20厘米之间，这影响电场强度和射流的飞行时间。短距离会增加电场强度，但限制了射流的停留时间，导致拉伸效果不佳和溶剂残留。长距离会减弱电场强度并降低沉积效率。这些参数是相互作用的，而不是独立的，因此通常需要通过更高的电压或更长的距离来补偿高流速，以维持稳定且拉伸良好的射流。

图5

电纺工艺关键参数的示意图。环境条件进一步调节射流的固化过程和微观结构的发展。环境温度影响溶剂的粘度和聚合物链的流动性，而相对湿度则控制由蒸汽诱导的相分离程度，尤其是在含有水或其他吸湿性溶剂的系统中。在高湿度下，凝结的液滴和缓慢的干燥可能导致纤维表面多孔或起皱，而低湿度则促进溶剂快速蒸发，有利于形成光滑、密集的纤维。溶剂（如DMF、乙醇或水）的挥发性和混合比例决定了射流在飞行过程中的固化速率以及内部特征（包括空隙和皮芯结构）的形成。当存在半导体纳米颗粒、量子点或金属氧化物前驱体时，干燥动力学也影响它们在纤维横截面内的空间分布。通过协调施加的电压、流速、收集器距离和环境条件，可以制造出具有控制直径、表面粗糙度和孔隙率的纳米纤维。这些形态特征反过来决定了光的散射、吸收长度和载流子传输路径，这对于优化电纺纳米纤维在电子和其他光电子设备中的性能至关重要。

2.2.2. 进料配置和接收系统

前驱体配方决定了纤维形成的内在可行性，而进料系统配置和收集器设计则决定了纳米纤维的外部排列。这些元素共同决定了最终纤维组装的结构复杂性、对齐方式和空间排列。它们调节前驱体溶液在电场下的输送、合并和加速，以及沉积过程中射流的导向、拉伸和组织。如图6a所示，一系列代表性的设置逐渐增加了结构复杂性，从单针纺丝发展到先进的多通道和多模态策略。单针电纺仍然是最广泛使用的配置，因为它操作简单且能够形成稳定的射流。当单一前驱体溶液从针尖挤出时，会形成均匀的纳米纤维射流。引入第二个注射器可以实现平行纺丝，即同时喷射和沉积两个独立的射流。这种配置为生产多组分纤维垫或在同一基底上混合不同功能提供了便捷的途径。当两个注射器通过同轴喷头连接时，内外溶液会形成核壳式射流，从而产生具有明确层次结构内的纤维。所得纳米纤维可以包含功能核心（如半导体或光敏材料），并被机械坚固或介电的外层鞘保护。相比之下，共电纺涉及多个喷嘴，能够同时纺出不同的射流。这种设置便于通过交织不同成分的纤维来制造多组分纳米纤维网络。因此，它为构建具有复杂架构和协同功能的空间异质材料提供了有效的途径。

电纺射流和收集器的配置设计。(a) 不同电纺配置的示意图，包括单针、同轴、Janus和多射流设置。(b) 典型电纺收集器设计的示意图，如平板、旋转鼓、平行电极和旋转盘。图6b强调了收集器设计如何决定纤维的对齐方式、堆积密度和宏观排列。在静止的平板收集器上沉积会产生随机方向的纤维垫，适用于过滤或传感应用。当收集器是旋转的圆柱鼓时，旋转施加的机械拉伸力使射流沿切向对齐，一旦旋转速度超过对齐阈值，就会产生定向的纤维束。带有沟槽或绝缘岛的图案化收集器会沿着预定义的路径引导纤维沉积，从而形成有序的网络。相比之下，旋转盘收集器将电场线集中到盘边缘，使射流能够缠绕并累积成连续的对齐卷。这些多样的收集策略调节了静电力、机械拉伸和几何约束之间的相互作用，使纳米纤维能够从离散的纤维束组织成定制的架构。通过适当选择进料配置和接收系统，电纺技术可以作为一个多功能平台，用于制造具有可控几何形状、内部层次结构和宏观有序的大规模纳米纤维。调节这些参数的能力对于设计用于设备应用的纳米纤维系统至关重要，因为纤维的对齐方式、核壳排列和结构均匀性直接影响载流子传输、光学耦合和设备稳定性。

3. 纳米纤维的性能优化

电纺技术提供了一种直接、成本效益高且高效的制造基于纳米纤维（NF）（光电子）材料的方法。其优势在于能够精确控制纳米尺度，并通过合理调节材料的微观结构、缺陷分布和界面工程来优化光电转换效率、载流子传输和界面稳定性。在本节中，基于最近的研究，我们主要从三个角度讨论电纺光电子和电子设备的调制策略：晶粒尺寸调制、氧空位工程和异质结构设计。

3.1. 结晶度和相调制

在电纺材料中，结晶度和相结构是材料系统的固有属性，可以通过外部处理条件进行高度调节。这种调制在控制载流子传输、光学吸收和界面极化方面起着关键作用。最近的研究不仅关注于提高结晶度，还侧重于通过空间限制或电场诱导的分子排列等机制来引导结晶路径，以实现特定的功能状态。

Zhi等人提出了一种通过在氟化聚合物基质中掺入钙钛矿纳米晶体（Cs2InCl5·H2O）来调节混合电纺纳米纤维（hybrid ES NFs）的结晶度和相行为的策略。在电纺过程中，施加的高电压电场拉伸聚合物射流并对嵌入的纳米晶体施加方向力。这种排列通过纳米晶体和聚合物链之间的界面氢键得到协同增强，诱导了各向异性的界面应变和局部偶极场（图7a）。这种耦合的场-界面相互作用引发了非平衡相变，系统从无序的非晶态网络转变为单轴对齐的极性晶体相（图7b）。与传统的热驱动晶粒生长不同，这种转变是由一种对称性破坏机制控制的。在电场的影响下，可极化的聚合物段发生排列，本身具有低对称性的纳米晶体发生了方向性的重组。重要的是，这种场诱导的有序化增强了结晶度并调节了晶体相，从而诱导了对称性的改变和极性方向的反转。由此产生的对齐偶极结构增强了界面极化，并促进了有效的电荷重新分布，最终提升了压电和摩擦电性能。这表明，电纺技术除了用于形态塑造外，还可以作为原位相工程的强大平台，为混合光电子材料的功函数设计提供了新的途径。

微观结构排序和依赖于晶粒大小的电子调制。(a) Cs2InCl5(H2O)与PVDF-HFP（六氟丙烯）链之间的相互作用的示意图。(b) 提出的相互作用机制。经参考文献80许可复制。版权2024，美国化学会。(c) 与不同晶粒大小的ITO纳米纤维相对应的带隙变化。经参考文献25许可复制。版权2023，Springer Nature。与场驱动的相变不同，Chen等人采用了一种几何引导的结晶度调制策略，利用电纺针头直径的控制来调节ITO（氧化铟锡）纳米纤维的晶粒大小。随着纤维直径的减小，晶粒大小相应减小，导致由于量子限制而带隙宽度增加（图7c）。随着纤维直径的减小，晶粒大小也随之减小，由于量子限制而带隙宽度增加。较小的晶粒抑制了不需要的自由载流子的产生，并增强了栅极调制，如场效应晶体管中的开启/关闭比率显著改善所证明的。然而，晶界的增加也引入了潜在的载流子散射中心，突显了迁移率和限制之间的权衡。这两种方法，即场诱导的相排序和几何驱动的晶粒调制，代表了电纺系统中结晶度工程的不同的但互补的方面。第一种方法强调通过控制内部对称性和分子取向来在纤维形成过程中稳定特定相。第二种方法依赖于调节晶粒大小和边界密度来调节材料的能量景观和载流子传输行为。总的来说，这些策略强调了一个更广泛的原则：电纺材料中的晶体演变不仅仅由后处理决定。尽管如此，其基本形态仍受到电纺（ES）过程本身固有的动态条件的塑造。

3.2. 缺陷与掺杂工程

缺陷与掺杂工程是一种广泛应用于调节各种材料系统中ES纳米材料电子特性的策略。无论是无机氧化物、混合复合材料还是基于聚合物的半导体，操纵空位浓度和化学掺杂剂都能为调控载流子传输、界面能量和功能稳定性提供强有力的手段。Cong等人的研究提供了一个典型例子，他们通过改变阳离子比例系统地调节了InZnO纳米纤维（NFs）中的氧空位（VO）浓度（图8a）。他们的研究显示，增加Zn含量会降低VO浓度，从而减少自由载流子密度和功耗，如图8b所示。相反，过量的In含量会导致更高的VO浓度，可能会影响设备的稳定性（图8c）。此外，图8b的插图示意图说明了这一现象的微观起源：Zn2+离子的引入促进了In2O3基体从中立方相到菱形相的相变。与立方相比，菱形相具有更好的阴离子层排列和由于孔隙率降低以及有序的晶格结构而增强的电子迁移率。然而，菱形相的过度存在可能导致更高的导电性和兴奋性突触后电流（EPSC），最终增加能耗。因此，适度的Zn含量（例如In0.7Zn0.3O）能够在最小化VO和防止相变引起的导电性增强之间取得平衡，从而实现最佳的设备性能。这一发现不仅适用于金属氧化物，也适用于共轭聚合物或混合系统，在这些系统中，不稳定的功能基团或动态部分在定义陷阱状态和局部极化方面起着类似的作用。

3.2. 缺陷与掺杂工程

缺陷和掺杂工程是一种广泛适用的策略，用于调节不同材料体系中电纺（ES）纳米材料的电子特性。无论是无机氧化物、混合复合材料还是基于聚合物的半导体，通过操控空位浓度和化学掺杂剂，可以有效地调节载流子传输、界面能量和功能稳定性。Cong等人的研究通过改变阳离子比例系统地调节了InZnO纳米纤维（InZnO NFs）中的氧空位（VO）浓度（图8a）。他们的研究表明，增加Zn含量会降低VO浓度，从而减少自由载流子密度和功耗（见图8b）。相反，过量的In含量会导致更高的VO浓度，可能会影响设备的稳定性（见图8c）。图8b的插图展示了这一现象的微观原因：Zn2+离子的引入促进了In2O3基体从中立方相到菱形相的相变。与立方相相比，菱形相的阴离子层排列更紧密，孔隙率更低，晶格结构更有序，因此电子迁移率更高。然而，菱形相的过度存在可能导致导电性增强和兴奋性突触后电流（EPSC）增加，从而增加能耗。因此，适量的Zn含量（例如In0.7Zn0.3O）可以在减少VO浓度和防止相变引起的导电性增强之间取得平衡，从而实现最佳的设备性能。这一发现不仅适用于金属氧化物，也适用于共轭聚合物或混合系统，在这些系统中，不稳定的功能基团或动态部分在定义陷阱状态和局部极化方面起着类似的作用。

除了氧空位之外，其他类型的缺陷也被广泛用于调控电纺半导体中的载流子动力学和陷阱分布。例如，阳离子空位（如氧化物晶格中的金属缺失）可以充当深度受主态，有效抑制多余的自由载流子，提高阈值电压稳定性，这对于低功耗晶体管运算特别有益。同时，除了氧空位之外，其他类型的阴离子空位，如硫或硒空位，在硫属化合物和层状半导体中也很常见，它们会在带边缘附近引入局部态，强烈影响光载流子的寿命、复合动力学和界面极化。这些非氧空位通常可以作为可控的陷阱中心或电荷供体/受体，从而实现通过缺陷调节导电性、响应度和记忆行为。这样的机制在硫化物、硒化物和混合纳米复合材料中已有大量报道，说明缺陷工程不仅限于氧化学，而是一种适用于更广泛ES衍生材料类的通用策略。进一步扩展这一概念，He等人在InZnO纤维中引入了Al掺杂，以引入浅层供体能级，同时改善了形态均匀性。如图8d的示意图所示，Al3+离子作为电子供体与氧原子发生轨道杂化，有效调节了导带最小值附近的态密度。由此带来的开关行为和热稳定性的改善突显了轨道级掺杂设计的潜力，这在π-共轭有机框架或卤化物钙钛矿基混合系统中同样重要，其中类似的轨道相互作用控制着光电行为。这些研究强调了两种互补的方法：通过空位调控来控制陷阱辅助的传输和记忆行为，以及通过掺杂工程来重塑电子结构并稳定功能性能。这两种策略提供了适用于广泛ES材料的一般原理，包括氧化物、有机和混合系统，在这些系统中，缺陷态、界面化学和局部轨道排列共同决定了设备的功能。

3.3. 混合架构用于界面控制

除了结晶性和缺陷调控之外，混合架构工程为调控电纺系统中的界面电子特性提供了强大的途径。无论是无机半导体还是有机-无机界面，对于高性能光电学至关重要的电荷分离、传输和保留的关键行为，都可以通过定制材料边界之间的相互作用来有效调节。

在无机异质结的背景下，He等人引入了一种同轴的In2O3@ZnO NF FET，其中核心-壳层界面内置的径向带偏移促进了光生载流子的有效分离（图9a）。在紫外光照射下，ZnO中的VO离子化释放自由电子，由于导带的良好对齐，这些电子会在In2O3侧积累。这一过程在界面形成了准二维电子气（2DEG），显著提高了电子迁移率并减少了复合损耗。如图9b所示，该设备实现了202.3 cm2 V?1 s?1的卓越载流子迁移率和优异的开关特性。此外，紫外光照射后观察到的持续光导性（图9c）强调了界面捕获电荷在维持高导电性中的作用。这种持续的光响应与神经形态学应用非常吻合。

4.1. 光电探测器

光信号是现代通信和传感系统中信息传输不可或缺的载体。作为核心组件，光电探测器负责将光刺激转换为电信号，从而实现后续的信息处理、存储和计算。为了满足可穿戴电子设备、光学成像和智能传感等多种应用场景的需求，光电探测器需要具备高响应度、快速响应速度、灵活性、光学透明性和低能耗。电纺纳米纤维（ES NFs）凭借其高比表面积、丰富的材料选择性和基于溶液的加工性，已成为光电器件中颇具前景的通道材料。这些独特优势使ES NFs非常适合开发下一代灵活且多功能的电光设备。

4.1.1. 可调光检测

可调光检测是电光系统中的关键能力，它要求对外部刺激（如波长、偏振和光照强度）具有选择性和适应性响应。与响应窗口固定的传统窄带光电探测器不同，可调设备能够动态调节传感特性，从而满足智能感知、加密通信和生物集成诊断等多种需求。在基于ES的架构中，可调性不仅来源于活性材料本身的光电特性，还来源于纳米纤维（NF）网络的各向异性形态、表面功能性和层次化组装。He等人报告了一种基于波长可调检测的代表性方法，他们结合了燃烧合成和电纺（ES）技术制备了InZnO NF光电探测器（图10a）。将铟掺入ZnO中引入了浅层供体能级，同时电纺形成的1D形态（图10b）增强了表面载流子的收集和各向异性电荷传输。更重要的是，所得设备在紫外区域展示了光谱选择性的光响应，其光电流对280至330纳米的激发波长有明显的依赖性（见图10c）。这一行为表明，缺陷态和结晶性共同决定了电纺金属氧化物的波长敏感性，暗示后处理策略与组成掺杂对于光谱工程同样重要。这种波长敏感性源于缺陷辅助吸收和NF结晶性之间的相互作用，两者都可通过低温退火和深紫外活化进行调节。这项工作展示了组成工程和纳米结构控制如何协同作用以实现光谱可调性，尤其是在宽带隙金属氧化物系统中。

4.1.1. 可调光检测

可调光检测是电光系统中的关键能力，它要求对外部刺激（如波长、偏振和光照强度）具有选择性和适应性响应。与响应窗口固定的传统窄带光电探测器不同，可调设备能够动态调节传感特性，从而满足智能感知、加密通信和生物集成诊断等多种需求。在基于电纺（ES）的架构中，可调性不仅来源于活性材料本身的光电特性，还来源于纳米纤维网络的各向异性形态、表面功能性和层次化组装。He等人报告了一种基于波长可调检测的代表性方法，他们结合了燃烧合成和电纺技术制备了InZnO NF光电探测器（图10a）。将铟掺入ZnO中引入了浅层供体能级，同时电纺形成的1D形态增强了表面载流子的收集和各向异性电荷传输。更重要的是，所得设备在紫外区域展示了光谱选择性的光响应，其光电流对280至330纳米的激发波长有明显的依赖性（见图10c）。这一行为表明，缺陷态和结晶性共同决定了电纺金属氧化物的波长敏感性，表明后处理策略与组成掺杂对于光谱工程同样重要。这种波长敏感性源于缺陷辅助吸收和NF结晶性之间的相互作用，两者都可通过低温退火和深紫外活化进行调节。这项工作展示了组成工程和纳米结构控制如何协同作用以实现光谱可调性，特别是在宽带隙金属氧化物系统中。

4.2. 基于电纺的光电学

4.2.1. 光电探测器

光学信号是现代通信和传感系统中信息传输不可或缺的载体。作为核心组件，光电探测器负责将光刺激转换为电信号，从而实现后续的信息处理、存储和计算。为了满足可穿戴电子设备、光学成像和智能传感等多种应用场景的需求，光电探测器需要具备高响应度、快速响应速度、灵活性、光学透明性和低能耗。电纺纳米纤维（ES NFs）凭借其高比表面积、丰富的材料选择性和基于溶液的加工性，已成为光电器件中颇具前景的通道材料。这些独特优势使得ES NFs非常适合开发下一代灵活且多功能的电光设备。

4.2.1.1. 可调光检测

可调光检测是电光系统中的关键能力，它要求对外部刺激（如波长、偏振和光照强度）具有选择性和适应性响应。与响应窗口固定的传统窄带光电探测器不同，可调设备能够动态调节传感特性，从而满足智能感知、加密通信和生物集成诊断等多种需求。在基于电纺（ES）的架构中，可调性不仅来源于活性材料本身的光电特性，还来源于纳米纤维网络的各向异性形态、表面功能性和层次化组装。He等人报告了一种基于波长可调检测的代表性方法，他们结合了燃烧合成和电纺（ES）技术制备了InZnO NF光电探测器（图10a）。将铟掺入ZnO中引入了浅层供体能级，同时电纺形成的1D形态增强了表面载流子的收集和各向异性电荷传输。更重要的是，所得设备在紫外区域展示了光谱选择性的光响应，其光电流对280至330纳米的激发波长有明显的依赖性（见图10c）。这一行为表明，缺陷态和结晶性共同决定了电纺金属氧化物的波长敏感性，暗示后处理策略与组成掺杂对于光谱工程同样重要。这种波长敏感性源于缺陷辅助吸收和NF结晶性之间的相互作用，两者都可通过低温退火和深紫外活化进行调节。这项工作展示了组成工程和纳米结构控制如何协同作用以实现光谱可调性，特别是在宽带隙金属氧化物系统中。综合这些例子可以看出，通过多种途径可以实现ES系统中的可调谐光检测：能带结构工程（例如，掺杂In的ZnO）、结构对称性破缺（例如，手性堆叠）以及混合刺激-响应耦合（例如，偶氮苯-压电复合材料）。ES不仅为构建这种复杂架构提供了一个可扩展的平台，而且还引入了独特的形态特征（例如，各向异性、孔隙率和方向性），这些特征直接影响了光吸收、载流子传输和机械转换。这些见解为开发多功能光电子设备开辟了新的机会，在这些设备中，光检测窗口不是固定的，而是可以通过设计动态编程的。然而，未来的研究还应该解决可调谐性和长期稳定性之间的权衡问题，这在目前的基于ES的系统中探索得还不够充分。

4.1.2. 自驱动光检测器

为了满足对低功耗、可穿戴光电产品的日益增长的需求，自驱动光检测器因其能源自主操作和设计灵活性而引起了极大的兴趣。ES使得能够制造具有可调表面和界面特性的连续一维纳米纤维（NFs），为构建此类设备提供了一个强大的平台。值得注意的是，某些ES材料中的同轴架构和固有的压电性为实现高性能自驱动紫外光检测器提供了独特的机会。一个典型的例子是基于ZnSnO3@In2O3核壳NF的光检测器，通过同轴ES制造后，在650°C下煅烧得到，如图11a所示。此外，图11b显示了退火后样品具有明显核壳形态的扫描电子显微镜（SEM）图像。由此产生的异质结显示出具有增强的内部电场的同轴n-n界面和自发的极化。在紫外光照射下，ZnSnO3/In2O3界面处会发生高效的电荷分离，即使在零偏压下也能产生显著的光电流（图11c）。重要的是，内置电势和应变诱导的压电调制共同调节肖特基势垒高度，从而实现了光电流的动态调节。在小于3.1%的压缩应变下，响应率增加了1.01 mA W?1。这种应变依赖的调制凸显了如何将机械自由度作为一个主动的调节手段，而不仅仅是视为环境干扰。能量带对齐分析进一步支持了压电-光电子调节，揭示了非中心对称核壳系统中的应变敏感势垒调制。

基于异质结NF的自驱动光检测。（a）制造过程，（b）SEM图像，（c）压电-光电子调制机制，以及（d）ZnSnO3@In2O3核壳异质结NF的机械耐用性测试。82 经参考文献82许可复制。版权2022，Elsevier。 （e）设备布局，（f）TEM图像，以及（g）Ag掺杂ZnO NFs的时间分辨零偏压光响应。84 经参考文献84许可复制。版权2018，John Wiley and Sons。机械稳定性是柔性电子产品的关键参数。ZnSnO3@In2O3光检测器在1000次弯曲循环后仍保持其响应率，显示出出色的耐用性（图11d）。这种结构设计、固有压电性和强大的机械耐久性的结合，证明了ES核壳纤维在可穿戴紫外传感系统中的潜力。

另一种优雅的策略是利用纯ZnO NFs和Ag掺杂ZnO NFs的交叉阵列来构建基于同质结的自驱动光检测器（图11e）。通过ES过程中的简单Ag+掺杂，实现了具有嵌入Ag纳米粒子的p型ZnO NFs，如图11f中的TEM图像所示。这些Ag纳米粒子通过局域肖特基势垒来调节载流子，并通过等离子体效应增强光吸收。p-n NF阵列的垂直配置使得无需外部偏压即可实现光伏型操作，表现出高达2.5 × 104的超高的开/关比和快速的上升/衰减时间（图11g）。这些改进来自于结场和等离子体增强的协同效应，表明多物理耦合通常比单一参数优化更有效。与传统的ZnO光检测器相比，内部结场和等离子体增强的综合效果显著提高了灵敏度和响应速度。

总的来说，这两种代表性的策略展示了如何通过合理的NF设计成功实现自驱动光检测，无论是通过同轴异质结还是通过与内部场调节相结合的同质结。然而，基于ES的自驱动光检测器的发展远未达到其全部潜力。一个关键挑战在于将随机纳米纤维网络转化为可预测的能量环境，以实现电荷传输，这需要更紧密的逐层制造与设备建模之间的耦合。我们不能仅仅将这些系统视为结构上的新颖性，而需要一个更深层次的科学转变：从工程设计离散的宏观材料界面，到构建能够适应外部刺激（如光强度、机械应变和温度波动）的动态、场可调的纳米界面。当前的ES系统主要依赖于内置的电场、压电效应或肖特基势垒来驱动电荷分离。虽然这些机制有效，但它们通常是静态和单向的，限制了它们的适应性和光谱多样性。此外，由于传统ES固有的随机取向、孔隙率和随机结形成，精确控制界面均匀性、载流子传输路径和设备重复性仍然具有挑战性。这些问题凸显了一个关键限制：尽管ES提供了形态自由度，但其集成到确定性设备架构中仍然缺乏自上而下的微制造的严谨性。同时，它们的未来影响在于从被动检测过渡到自适应的、智能的、多功能的光子系统。ES凭借其合并材料化学、结构力学和设备物理的独特能力，非常适合作为这一转变的基础平台，其随机性质可以被利用来实现可编程的功能。

宽带光检测是下一代成像、通信和环境监测系统的核心，从紫外到近红外波段的无缝响应性能够实现更丰富的信号采集和光谱区分。然而，追求宽带性能不仅仅是一个光谱范围的扩展，而是一个功能性的重新定义。真正的挑战不在于覆盖更多的波长，而在于协调不同光子能量、载流子迁移率和界面环境下的电荷动态。ES以其将材料编织成高度可调的低维网络的能力，在结构和电子层面上为应对这一挑战提供了不同寻常的自由度。另一个引人注目的例子是Kim等人使用三价钙钛矿纤维构建的基于NF的光检测器。与平面薄膜不同，平面薄膜中的载流子传输主要受到扩散限制，而纤维结构在钙钛矿/HTM（空穴传输材料）界面引入了高密度的浅陷阱。如图12b所示，被捕获的电子使得光生成的空穴能够被反复注入和收集，有效地将每个光子的输出信号放大到远超过一倍的结果外部量子效率（EQE）超过了3000%，如图12c所示。这种光放大机制展示了如何有意地利用界面陷阱来放大纤维结构中的微弱光信号。为了实现紫外、可见和近红外波段的宽带检测，Zheng等人提出了不同的策略：通过ES ZnO NF阵列并通过配体交换工程整合PbS量子点，他们形成了具有空间分辨的电子-空穴分离的II型异质结构，如图12d所示。由此产生的结构形成了II型异质结，其中导带和价带错开，有利于载流子的空间分离。这种能带对齐，加上ZnO/PbS界面处的扩展耗尽区域，创建了一个内置场，有效地将电子驱动到ZnO核心，将空穴推向量子点壳层，抑制了电子-空穴的复合，从而实现了宽带光电流的生成。这种设计强调了空间载流子分离在抑制广泛光谱范围内的复合损失中的重要性。在光谱上，该设备在紫外、可见和近红外波段都有令人印象深刻的响应，具有明显的波长选择性特征和快速切换行为。

通过陷阱辅助增益和异质结纳米纤维实现宽带光检测。（a）示意图，（b）陷阱辅助的光放大机制，以及（c）基于三价钙钛矿纤维的NF基光检测器的外部量子效率。31 经参考文献31许可复制。版权2022，John Wiley and Sons。 （d）示意性制造流程，（e）II型能带对齐，以及（f）装饰有PbS QDs的对齐ZnO NFs的宽带光响应。33 经参考文献33许可复制。版权2016，John Wiley and Sons。实现从紫外到近红外波段的宽带光检测不仅仅是简单地扩展吸收范围。它涉及到如何生成、分离和传输光激发载流子穿过不同的材料域。这里讨论的两种系统采用了不同的方法：一种通过陷阱辅助的光放大来增强红外灵敏度，而另一种则结合了具有互补带隙的材料来拓宽光谱响应。尽管存在这些差异，两者都依赖于精确的纳米级结构控制，其中ES提供了独特的优势。这项技术能够形成连续的、高表面积的NF网络，并具有可控的成分和形态。它支持多个功能组件的集成，便于定制界面，并且在不受性能影响的情况下适应应变或变形。通过提供这样的结构和材料灵活性，ES不仅是一种制造方法，也是设计具有可控载流子动态的宽带光子系统的概念框架。

4.2. 光子突触设备

为了克服冯·诺依曼架构带来的限制，人工突触设备作为一种有前途的方法出现了，用于实现高效的、受大脑启发的计算。通过模仿生物突触的基本功能，如可塑性和自适应学习，这些设备为超越摩尔定律的扩展限制提供了途径。ES NFs凭借其高比表面积、机械灵活性以及与轴突结构的形态相似性，成为构建此类设备的理想候选者。此外，它们的多孔和互连架构非常适合促进离子传输和界面耦合，这两者对于模仿突触行为至关重要。在本节中，将介绍具有光子或多模功能的突触设备，因为它们具有相似的工作原理。

4.2.1. 可调谐突触可塑性

作为一个人工突触设备，模仿各种生物功能至关重要。NF设备的网络结构与生物突触相似，由突触前膜、突触间隙和突触后膜组成。当外部刺激刺激突触前膜时，它会释放神经递质到突触间隙中，然后这些递质立即作用于突触后膜，最终将信号发送到大脑以产生相应的脉冲。突触前膜和突触后膜之间的连接强度称为突触权重。通常，突触设备的外部刺激由两种主要的驱动方法驱动：电场和光场，分别对应于电突触和光突触。目前的测量通常在外部刺激期间评估突触功能，从而反映了突触权重的大小。作为基本的测试参数，突触后电流（PSC）随着外部刺激的强度而变化。基于刺激前后电流值的相对大小比较，PSC可以分为EPSC（兴奋性突触后电流）和抑制性突触后电流（IPSC）。图13a和b显示，在去除外部刺激后，PSC会衰减到较低的水平。由于其衰减时间，该设备表现出突触可塑性的特征，可以分为短期可塑性（STP）和长期可塑性（LTP）。例如，配对脉冲促进（PPF）是STP的典型形式，它由两个相同的连续脉冲信号引起，如图13c和d所示。当第二个脉冲信号大于第一个时，表明设备在第一个刺激下表现出记忆效应（图13c）。相反，称为配对脉冲抑制（PPD），如图13d所示。以下方程可以提取PPF或PPD指数：

PPF（或PPD）指数 = (A2/A1) × 100%

图13展示了模仿生物功能的典型突触可塑性行为，包括（a）EPSC曲线，（b）IPSC曲线，（c）PPF曲线，（d）PPD曲线，（e）PPF（PPD）指数曲线，以及（f）STDP曲线。图13e展示了PPF指数作为施加脉冲间隔的函数，表明它随着间隔的增加而指数衰减。指数衰减关系由公式（2）描述如下：

其中τ1和τ2代表松弛时间，C1和C2是常数，Δt是脉冲间隔时间。此外，在生物突触中，τ2的值通常比τ1大一个数量级。PPF是STP的常见表现，对于神经系统处理时间序列信息（如图像和声音）至关重要。除了短期的突触动态之外，生物突触还通过脉冲时序依赖性可塑性（STDP）表现出长期的突触强度变化，这一现象是由Hebbian在1990年代提出的。159 STDP描述了突触权重的调整如何精确地依赖于突触前和突触后脉冲之间的相对时序：正的时序差（突触前-突触后）会引发突触增强，而负的时序差（突触后-突触前）则导致突触抑制，从而产生特征性的不对称STDP曲线（如图13f所示）。STP和STDP使突触能够高效地在多个时间尺度上编码时间信息。对于人工系统来说，复制这些行为不仅需要合适的材料，还需要精心设计的缺陷状态和界面动力学。160–162

在生物神经系统中，突触可塑性对于记忆形成和认知学习至关重要，因为它允许突触权重根据刺激而变化。163–165 这种可塑性包括短期记忆（STM）和长期记忆（LTM）之间的动态转换，正如经典心理模型所概念化的。外部刺激驱动大脑将信息编码到STM中。通过重复的复习，这些信息被巩固成LTM，这一过程伴随着随时间的信息衰减。164 将这一范式转化为神经形态电子学需要能够时间调制信号保留并逐渐增强记忆状态的突触设备。与优先考虑超快响应的光电探测器不同，人工突触强调记忆保留和功能可塑性。166–170 具有高表面积与体积比和多孔结构的ES NFs（固态纳米场效应晶体管），提供了丰富的表面状态和限制的载流子调制路径。35,75 这些特性本身有利于延长EPSC（长时程峰值电流）的衰减，这是LTM样行为的一个标志。在一种策略中，Meng等人开发了一种基于InGaO3(ZnO)3超晶格NFs的准二维电子系统来模拟光电突触功能。如图14a–c所示，随着光脉冲持续时间、强度或重复率的增加，EPSC衰减时间显著延长，反映了从STP到LTP（长时程增强）的渐进过渡，这与Hebbian学习原则一致。从机制上讲，光生成的载流子诱导NF表面的氧脱附，释放被困电子并增加通道电导。同时，超晶格核心通过量子阱结构限制这些载流子，防止快速复合并促进持续的电流保持（图14d）。171 这些协同效应使得每次突触事件的能量消耗低至亚飞焦耳级别，响应度达到1.05 × 10^6 A W^-1，超过了大多数报道的设备。图14

氧化物NF突触具有光学可调的可塑性和电荷捕获动态。(a) EPSC曲线，(b) 光强度依赖的可塑性，以及(c) 基于InGaO3(ZnO)3 NF的光子突触设备的脉冲数量依赖的可塑性。(d) 在InGaO3(ZnO)3 NFs上由氧吸附引起的电荷捕获和随后的光学诱导的电荷释放的示意图。171 经参考文献171许可复制。版权2022年，依据知识共享署名非商业性使用许可4.0（CCBY-NC）分发。(e) 在紫外光照射下基于IZTO NF的光子突触晶体管的示意图。(f) EPSC曲线以及(g) 基于IZTO NF的光子突触设备的能量带图。154 经参考文献154许可复制。版权2023年，英国皇家化学会。为了进一步提高突触的可调性，Zheng等人使用控制了In:Zn:Sn比例的铟-锌-锡氧化物（IZTO）NFs构建了ES人工突触。通过调节In3+浓度，作者在立方相（c-In2O3）和菱形相（rh-In2O3）之间引入了同质结，形成了在紫外光照下促进定向电荷分离的内部电场（图14e）。值得注意的是，IZTO-9设备（In:Zn:Sn = 9:1:2）表现出延长的EPSC衰减（图14f），这归因于相界面上电子-空穴复合的抑制（图14g）。在持续照明下，大约50%的峰值EPSC在3小时后仍然存在，表明其具有适合图像识别和神经形态集成的高记忆保留度。154

这些策略共同展示了如何通过NF组成、异质界面设计和量子限制来工程化光编程的突触行为。STM和LTM状态之间的动态调节模仿了大脑的适应性，并为ES神经形态系统中的多比特光存储、逻辑门控和时空数据编码开辟了新的途径。

4.2.2 能效操作

对于神经形态系统的实际应用，尤其是大规模、密集连接的网络，最小化每次突触事件的能量消耗是一个基本要求。在传统的冯·诺依曼架构中，存储和处理单元是物理分离的，因此运行神经网络需要不断在两个单元之间传输数据。随着网络深度和参数数量的增加，存储访问和数据传输成为总能量预算中的主导因素，导致高功耗和显著的热管理问题。相比之下，人脑在执行大量突触操作的同时仅消耗约20瓦的能量，这得益于高度并行的内存处理，其中信息存储和计算是固有的共定位的。这激发了开发模仿生物突触的人工突触设备的发展，这些设备将非易失性权重存储与设备级别的局部信号处理集成在一起。通过抑制数据传输并在原位进行突触更新，这种神经形态硬件为适用于密集芯片集成和能源受限的边缘或可穿戴系统的低功耗计算提供了一条有希望的路径。为了准确评估能效，对于电突触和光电子突触设备采用了不同的计算方法，这反映了它们各自的输入模式。对于电突触，每次事件的能量消耗通常通过以下公式估算：

E1 = Ipeak × V × Δt

其中Ipeak是刺激脉冲期间的瞬态峰值电流，V是施加的电压，Δt是脉冲持续时间。这个公式表明，通过降低驱动电压、电流响应或缩短刺激时间窗口，可以实现能量减少。许多最近的研究通过材料工程或设备结构优化展示了亚纳焦耳级别的消耗。例如，使用高载流子迁移率和窄带隙氧化物的低维半导体来促进在最小激励下的电荷传输。相比之下，模拟生物视觉系统的光子敏感性的光突触通常采用以下两种评估方案之一：

E2 = P × S × Δt

E3 = Ipeak × V × Δt + P × S × Δt

公式(4)仅考虑了光激发能量，其中P是光功率密度，S是有效光照面积，Δt是光脉冲持续时间。当光子刺激单独触发突触响应时，这个模型适用。然而，在光电联合刺激的情况下，光和偏置电压都参与其中。公式(5)用于反映总能量输入，总结了电和光的贡献。值得注意的是，虽然光设备提供了无接触刺激和波长选择性等优势，但其能效在很大程度上取决于光吸收截面和活性材料的量子效率。混合钙钛矿、过渡金属硫属化合物（TMDs）和低维金属氧化物已被研究用于在超低功率密度下增强光响应，但实现每次事件的亚皮焦耳级能量消耗仍然具有挑战性。177–179

最近的进展表明，通过启用在零电偏压下的电荷捕获和传输，界面带工程可以直接抑制光子突触所需的刺激能量。Zheng等人构建了一种两端ZnO/GO（氧化石墨烯）异质结构，其中ZnO纳米纤维作为光敏氧化物，GO提供深电子受主态（图15a）。180 接口处几乎平坦的费米能级对齐，能量偏移约为0.07 eV，允许在没有内置屏障的情况下捕获少数载流子。ZnO中的氧空位缺陷作为浅陷阱，维持持续的光电导性。在弱365纳米光照和仅1毫伏的电偏压下，该设备产生清晰的兴奋性后突触脉冲（图15b）。由于缺陷辅助的保留作用，它保持了长衰减尾部。因此，在1毫伏时，每次脉冲的能量可以降低到23飞焦耳，这是在光电子突触中报告的最低值，远低于比较图（图15c）中显示的亚皮焦耳级别。图15d中的示意图能量图可视化了在光照下从ZnO到GO的载流子运动、捕获电子的积累以及无需外部电驱动即可实现长寿命增强的缓慢复合过程。图15

异质结构工程化的超低功耗光子突触。(a) 光电突触设备的示意图。(b) 典型的紫外光刺激后突触电流响应,(c) 能量消耗比较，以及(d) 相应的能带对齐机制。180 经参考文献180许可复制。版权2025年，依据知识共享CC BY许可条款。 (e) 使用ZATO/SnO异质结的全氧化物光子突触器的设备结构。(f) 波长依赖的兴奋性突触响应,(g) 光色依赖的光学LTP/D，以及(h) 纽扣载体传输机制。181 经参考文献181许可复制。版权2023年，John Wiley and Sons。在展示了氧化物-碳结之后，Yang等人转向了全氧化物异质结以进一步降低光子操作成本并消除有机变异性。181 他们的平面ITO/ZnAlSn (ZATO)/SnO/ITO配置（图15e）结合了n型非晶ZATO通道和p型SnO吸收层，并且完全在可见光波长下工作。突触读出电压仅为0.1 V，And 635纳米的光可以诱导LTP。根据IDS × VDS × Δt的表达式，计算得到的事件级能量为0.75 pJ，对应0.1秒的可见光刺激。在不同波长下记录的光学响应（图15f）在红色光照下显示出强烈的兴奋性行为。同时，绿色和蓝色触发引发抑制性响应，支持LTD或快速RESET。图15g中的松弛曲线确认突触抑制由光子能量而非电幅度控制。图15h中的传输图解释了这一操作机制。SnO作为p型半导体，具有浅价带边缘和强可见光吸收。ZATO表现为从氧空位产生的n型层。在照明下，SnO将空穴注入ZATO，ZATO缺陷可以电离形成V2+O（氧空位）中心和自由电子。这些过程使得在无需高电偏压的情况下就能存储电荷。综合来看，这两项研究反映了低功耗光子突触设计的逐步发展。ZnO/GO界面展示了平坦的能带条件和缺陷存储能够在毫伏偏压下实现飞焦耳级别的激活。ZATO/SnO全氧化物结将这一概念扩展到可见光控制的增强和抑制，能量消耗达到亚皮焦耳级别，同时保持了与微电子处理的兼容性。这一进展表明，材料选择、能带对齐和受控缺陷电离可以替代电驱动，引导光子神经形态硬件朝着大脑级别的能效迈进。总之，优化突触设备的能量消耗不仅仅需要简单地调整基本参数，如电压或脉冲持续时间。系统级方法在整合材料属性、设备架构和刺激策略方面至关重要。182–184 例如，活性材料的能带结构和界面状态显著影响电荷传输效率；结构配置（如异质结或核壳架构）决定了光载流子的路径；刺激模式（电、光或混合）决定了能量如何引入系统。9,185,186 表2提供了代表性最近突触设备的能量消耗总结，以便更清楚地比较它们的性能。因此，未来的研究应强调材料和设备结构的协同设计，以及建立标准的能量测量协议。这将使得跨研究的比较具有意义，并确保在提高能效的同时不会牺牲其他关键指标，如设备稳定性或集成能力。只有同时满足这些多重要求，人工突触设备才能朝着实际应用迈进。表2

最近报道的基于ES的突触设备的能量消耗比较

材料
突触类型
计算公式
能量消耗
参考文献
InMgO NFs
离子突触
公式(3)
418 fJ
187

ZnO NFs
电突触
公式(3)
63.168 fJ
188

InSnMgO NFs
离子突触
公式(3)
1.25 pJ
86

Ion-gel PVDF NFs
离子突触
公式(3)
6 fJ
189

InGaZnO NFs
光突触
公式(4)
15 fJ
190

PEDOT:PSS/PAAm NFs
离子突触
公式(3)
113 fJ
191

InAlZnO NFs
离子突触
公式(3)
75 fJ
155

InZnO NFs
离子突触
公式(3)
38.45 fJ
135

PQT-12:PEO NF
离子突触
公式(3)
3.9 fJ
36

4.2.3 多模态神经形态功能

为了实现现实世界的交互，神经形态硬件不仅需要调节突触权重和降低能量消耗，还需要在统一平台上感知和融合不同的物理线索。多模态突触设备通过将热、机械或光学刺激编码为共同的电信号，并直接将其输入计算模块来满足这一需求。这种架构对于“传感器内”和“皮肤内”计算非常有吸引力，在这些计算中，感知和学习是在本地发生的，而不是在远程处理器中进行的。192

Kim等人提出了一种基于忆阻式NF网络的多模态皮肤感受器交错结构。图16a比较了三种信息流方案，突出了其中发生的概念性转变。传统的多模态系统依赖于每种模态的独立传感器和读出电路，这增加了布线的复杂性并限制了空间分辨率。相比之下，生物神经元在信号到达体感皮层之前，会在单个轴突中交错不同的脉冲序列。忆阻式的交错架构遵循了这种神经策略。图16b显示了设备核心，它由一层可拉伸的Ag@Cu2O核心-壳NF网络组成，该网络层压在柔软的基底上。Ag核心形成了机械敏感的导电路径，而Cu2O壳提供了热敏感的高电阻通道。通过编程忆阻状态，网络可以在热主导的T模式和机械主导的M模式之间切换。这两种模式下的不同网络几何结构导致对模量和热导率的不同依赖性，使得单个电阻轨迹能够编码交错的热机械信息。这种设计展示了多模态突触系统的一个基本原理：不同的物理线索可以被浓缩成一个单一的标量状态变量，从而在保持材料特异性的同时减轻互连约束。图16c强调了与生物学的类比。在神经系统中，信号A和B的感受器投射到一个神经元上，在那里动作电位在时间上交错，并在大脑中解码。在忆阻感受器中，T模式和M模式之间的切换在NF网络中交错热信号和机械信号，下游的神经网络解码该序列以识别未知对象。193 与传统的堆叠式多模态传感器相比，这种方法用时间编码替换了空间分离。它指出了一个更广泛的设计规则：多模态“突触”可以作为紧凑的前端，将丰富的物理描述符预编码为时间序列信号，这些信号自然适合神经形态学处理。图16

用于多模态感应和水库计算的神经形态网络。(a) 不同架构的比较，包括传统的多模态系统、神经交错模型和忆阻式交错系统。(b) 交错忆阻式NF网络的示意图。(c) 忆阻式切换交错热信号和机械信号。193 经参考文献193许可复制。版权2025，Springer Nature。(d) 水库计算的示意图，包括输入层、存储层和输出层。194 经参考文献194许可复制。版权2025，John Wiley and Sons。(e) 用于手写数字分类任务的人工神经网络架构。195 经参考文献195许可复制。版权2025，John Wiley and Sons。水库计算为处理时间编码信号提供了一种硬件高效的方法。Zhang等人开发了基于IGZO通道和混合PI/Al2O3介电材料的柔性可调塑性突触晶体管(TSTs)，并将其用作物理水库。在这些设备中，载流子可以弱耦合到极性基团或深陷在PI/Al2O3界面。随着刺激幅度的变化，响应从STM演化到LTM，从而产生混合的快速-慢速导电动态。图16d展示了水库计算流程。时间依赖的输入脉冲序列被编码并应用到TST阵列上。194 结果产生的EPSC瞬态在储存层中跨越了一个高维状态空间。不同的脉冲序列沿着不同的轨迹传播，因此即使是一个小的阵列也可以使用简单的线性读出分离16种不同的4位脉冲模式。重要的是，这种水库无需明确的循环布线即可工作，设备本身的记忆提供了所需的衰减动态。从设计角度来看，这样的TST水库与交错的多模态感受器非常匹配。两者都生成了丰富的、依赖于历史的时间信号，并利用了设备级别的物理特性，而不是复杂的电路拓扑。除了时间编码之外，多模态神经形态系统还能以高精度执行静态模式识别。Kwon等人报告了具有Al2O3/HfO2介电堆栈的IGZO突触晶体管，它们表现出铁电极化和陷阱辅助切换之间的频率依赖性竞争。通过调节固定幅度下的脉冲频率，主导机制在极化驱动的导电调制和陷阱驱动的导电调制之间切换。这种双模操作实现了几乎线性的增强和抑制，单极性权重更新，并且在人工神经网络(ANN)中对手写数字的识别准确率达到了约97%。图16e勾勒了一个典型的ANN推理流程，其中28×28像素的数字被平铺到输入层，突触设备将可训练的权重存储为导电状态，重复的脉冲逐渐塑造权重图，直到网络以高保真度对数字进行分类。195 在多模态系统的背景下，频率选择性的塑性特别有吸引力。它提供了一种简单的方法，可以为不同的时间模式或感觉通道分配不同的学习规则或更新速度，而无需改变电路拓扑。总的来说，图16勾勒出了从多模态感知到神经形态计算的连贯路径。忆阻式NF网络作为紧凑的“皮肤突触”发挥作用，将热和机械线索压缩成具有高空间和时间分辨率的交错电阻轨迹。柔性可调塑性突触晶体管将这些时间序列输入转换为可分离的储存状态，实现了硬件高效的时间编码。双模铁电-陷阱突触晶体管及相关阵列提供了线性和可编程的权重更新，即使在相对较小的网络中也能支持高精度的数字识别。除了总结这些单独的演示之外，综合的信息是多模态神经形态硬件应该在三个层面上共同设计：材料编码多种刺激，设备提供非线性但可控的动态，系统架构利用时间编码和选择性塑性。展望未来，将这些功能集成到一个单一的电纺或柔性平台上可能会导致“智能皮肤”，它在边缘直接感知、编码和解释多模态信息。196 这样的系统将通过在本地执行特征提取和部分推理来减少数据流量和能耗，而中央处理器只处理更高级的任务。关键挑战包括在长期机械变形下稳定忆阻式网络，匹配水库的动态范围以适应现实的感觉信号，以及开发无需外部监督就能适应变化环境的设备内训练方案。解决这些问题对于从概念验证的多模态突触设备过渡到可扩展的神经形态系统用于机器人技术、可穿戴医疗保健和人机接口至关重要。

5. 基于电纺的电子学

除了实现多功能的光电功能外，电纺技术还在先进电子学中展示了显著的潜力。由于其固有的优势（如高的表面积与体积比、可调的维度以及与柔性基底的兼容性），电纺纳米纤维为构建需要机械适应性、结构微型化和多功能集成的下一代电子设备提供了一个肥沃的平台。197

本章讨论了三种由电纺技术赋能的主要电子设备类别：场效应晶体管(FETs)、气体传感器和摩擦电纳米发电机(TENGs)。每个部分都强调了如何利用NF设计和界面工程来提升设备性能并扩大功能范围。93,100,198 例如，通过构建基于NF的半导体通道，电纺FETs实现了理想的电调制并展现了出色的机械灵活性。在气体传感器中，NF支架促进了分子的快速扩散并增加了反应表面积，从而实现了高灵敏度和选择性。同时，将NF网络集成到TENG架构中，实现了高效的机械到电能转换，支持了自供电电子系统的发展。通过系统地总结每个类别中的设备架构、材料策略和操作机制，本章旨在阐明电纺技术在塑造智能电子学领域中的独特作用。通过关注纤维对电荷传输、表面相互作用和能量转换的控制，我们强调了这种可扩展技术在可穿戴、可拉伸和自我维持的电子系统中的潜力。

5.1. 场效应晶体管

电纺技术已经成为制造高性能金属氧化物半导体NFs的一种多功能方法，提供了对直径、成分和微观结构的精确控制。这种可调性使研究人员能够为从逻辑电路到生物传感等各种应用优化FET的性能。199–201

5.1.1. 固态晶体管

电纺NFs提供了独特的结构和成分可调性，使得从掺杂协调到多个层面的形态限制的通道工程成为可能。He等人的研究展示了如何在氧化物NFs内进行精确的掺杂控制，以释放协同的电学特性。如图17a所示，作者采用了底部栅极顶部接触的架构。他们通过改变In2O3前体溶液中的Zn掺杂浓度来调节NF的结晶性和载流子动态。通过系统地调节In2O3中的Zn含量，他们找到了一个临界成分（In：Zn = 1：1），在这种成分下，向非晶相的转变抑制了晶界散射，同时保持了高载流子浓度。他们的发现表明，50摩尔%的Zn掺杂比例在非晶化和导电性之间实现了最佳平衡（图17b和c）。在这种优化成分下，Zn的加入引发了部分非晶化，抑制了晶界散射，同时保持了足够的载流子密度。这种结构无序和电导之间的平衡突显了电纺技术所支持的成分调节如何在纳米尺度上调节电荷传输路径。值得注意的是，逆变器操作的成功实施证实了电纺氧化物纳米纤维不仅限于单一设备的演示，而且与逻辑级电路集成兼容，这对于可扩展的电子学至关重要（图17d）。88 这项研究强调了材料、工艺和性能之间的相互关联，并确认了电纺技术作为优化非晶相的可扩展方法。图17

用于固态逻辑和生物传感的电纺氧化物NF晶体管。(a) 基于InZnO NF的FETs的示意图。(b) 传输特性，(c) 输出特性，以及(d) 基于InZnO NF器件的电压传输曲线。88 经参考文献88许可复制。版权2023，John Wiley and Sons。(e) 基于Gd掺杂In2O3 NF器件的DNA检测示意图。(f) 随DNA浓度变化的μ和(g) Vth。87 经参考文献87许可复制。版权2023，American Chemical Society。(h) 基于全NF ITO晶体管的示意图，(i) 传输特性，以及(j) 相应的(IDS)1/2–(VGS)曲线。25 经参考文献25许可复制。版权2023，Springer Nature。从电子性能扩展到功能响应性，Zhang等人利用了对齐的Gd掺杂In2O3 NFs创建了一个能够检测脱氧核糖核酸(DNA)的FET。在图17e中，放大的示意图显示了当设备暴露在空气中时，活性氧物种（即O2?、O?、O22?)如何在NF表面形成。一旦设备被引入DNA环境中，鸟嘌呤与O2?反应，将额外的电子释放到导带中，从而提高了通道的载流子浓度。因此，如图17f–g所示，迁移率(μ)和阈值电压(Vth)对不同的DNA浓度表现出显著的变化。87 这种效应在室温下展示了高DNA敏感性，标志着生物传感应用的一项关键进步。这种方法表明，电纺氧化物NFs既可以作为信号转换器，也可以作为选择性识别接口，特别是当空间取向和掺杂化学共同设计时。除了通道工程之外，Chen等人还使用电纺技术制造了一个全NF FET，其中通道和电极都由氧化铟锡(ITO)组成。如图17h所示，研究人员利用了ITO NFs的可调性质，通过调节电纺针的直径，可以在导体行为和半导体行为之间切换。传输曲线(图17i)确认了不同直径下的n型导电性，而阈值电压随着针直径的减小而从-7 V系统地转移到+9 V（图17j）。25 这种转变表明了从耗尽模式到增强模式的转换，突显了电纺ITO FETs在集成电极通道设计中的多功能性。总的来说，这些研究强调了电纺技术不仅仅是一种形态塑造技术。它是一个强大的平台，可以 deterministic地控制电荷传输、相态、表面相互作用，甚至逻辑功能的实现。无论是通过掺杂化学、对齐的架构还是可扩展的集成，电纺NFs都在重新定义我们如何在多功能、智能电子学背景下构建、感知和操作薄膜晶体管。

5.1.2. 离子 gates晶体管

将离子凝胶电介质与电纺NF通道的集成代表了FET设计中的一个重要范式转变，尤其是在需要机械适应性或超低电压操作的应用中。与传统的固态栅极电介质不同，离子凝胶展示了高电容，即使在较低的栅极偏压下也能实现有效的载流子积累。当与电纺NFs的结构优势结合时，这种方法为柔性电子学、神经形态计算和低功耗传感器阵列开辟了新的机会。从设备物理学的角度来看，离子门控通过形成电双层(EDLs)引入了静电控制，这将电荷局域化在半导体-电介质界面。这种机制与传统的电容门控有根本的不同，特别适合于调节纳米结构或高缺陷密度的半导体。此外，离子门控晶体管（例如，离子凝胶/有机氮化纤维或离子凝胶/氧化物氮化纤维）提供了额外的机械韧性和界面适应性，这对于可拉伸和可穿戴电子设备至关重要。107,198

一方面，Shin等人展示了一种完全可拉伸的场效应晶体管（FET），该晶体管由ES P3HT氮化纤维、SBS（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯）纤维垫基底以及离子凝胶门控组成。如图18a所示，整个设备都是由具有机械柔性的组件构成的。图18b中的SEM图像显示了P3HT纤维桥接在嵌入离子凝胶区域的Au源/漏电极上。插图展示了一个阵列化设备配置的顶视图。凝胶与纤维基底之间的相互渗透网络不仅在大的应变下保持了电气完整性，还在超过1500次拉伸循环中稳定了晶体管的操作（图18c）。198 这种纤维-凝胶相互渗透的网络有效地重新分配了机械应力，同时保持了静电完整性，表明在电纺系统中，机械柔韧性可以在网络层面而不是仅在材料层面上进行设计。图18

用于增强开关性能的离子凝胶门控氮化纤维晶体管。(a) 示意图，(b) SEM图像，以及(c) 离子凝胶门控P3HT氮化纤维FET的转移曲线。198 经许可转载自参考文献198。版权所有2014，John Wiley and Sons。(d) 双栅氧化氮化纤维FET的制造工艺流程。(e) 离子凝胶门控IGO3氮化纤维FET的转移特性以及(f)迁移率、(g)阈值电压(Vth)和(h)饱和漏电流(SS)的统计分布。107 经许可转载自参考文献107。版权所有2020，Elsevier。另一方面，Kim等人开发了高迁移率的双栅FET，使用ES结晶掺杂镓的In2O3氮化纤维作为通道，并添加了顶部的离子凝胶层以提高门控效率。图18d展示了双栅设备的逐步制造过程：首先在Si/SiO2基底上对掺镓的In2O3前驱体进行电纺，然后通过热煅烧将聚合物纤维转化为结晶纳米纤维。随后形成源/漏电极，得到单栅FET。接着在顶部图案化离子凝胶门，完成双栅配置（VG1作为底部栅极，VG2作为离子凝胶顶部栅极）。图18e显示了离子凝胶门控IGO3氮化纤维FET的转移特性，具有典型的n型行为，具有陡峭的导通拐点和高的开/关比。图18f-h提供了通过电纺制造的离子凝胶门控IGO3氮化纤维FET的电性能的全面评估。107 多个设备之间的统计一致性表明，电纺可以生产出具有可重复掺杂和缺陷控制的结晶氧化物纳米纤维，解决了基于纤维的电子产品的批次变异性问题。双栅配置使得阈值电压可调，并且迁移率得到提升（高达35.1 cm2 V?1 s?1），超过了单栅氧化纳米纤维FET的性能。值得注意的是，研究表明电纺可以制造出具有可控掺杂和微观结构的结晶氧化物氮化纤维。这些进展共同指向了一个更广阔的视野，即离子门控和电纺纳米结构不仅能够兼容，而且具有内在的协同作用。电纺提供了在多样化基底上空间上图案化或对齐功能通道的自由度。同时，离子凝胶在静电学和电化学之间架起了桥梁，使得电压可调节和机械适应性门控方案成为可能。然而，由于离子迁移，离子凝胶FET的开关速度通常受到限制，而且它们在环境条件下的长期稳定性尚未达到传统电介质的水平。此外，离子凝胶在亚微米尺度上的精确图案化及其与高分辨率光刻技术的兼容性仍然是正在探索的活跃领域。对于基于氮化纤维的FET来说，诸如纤维间接触均匀性、批次间可重复性以及与可扩展逻辑架构的集成等问题仍有待解决。展望未来，离子门控和电纺氮化纤维技术的融合预计将催生新的设备范式，包括具有动态重配置能力的人造突触、适应性逻辑系统以及多路复用的生物化学接口。未来的研究可能会从整合生物衍生的离子凝胶、多栅逻辑方案或利用电纺网络纳米尺度几何特性的混合离子-电子耦合机制中受益。

5.2. 气体传感器

在电纺光电器件的各种应用中，气体传感因其在中环境监测、健康诊断和智能人机接口中的关键作用而成为一个特别有前景的领域。202–204 电纺为气体传感器提供了一个独特的材料平台，能够制造出具有超高表面积与体积比、分层孔隙率和可调表面化学性质的纳米纤维网络。这些结构特性促进了气体扩散、吸附和电荷相互作用，为快速和敏感的分析物检测奠定了基础。除了形态学之外，电纺气体传感器的性能越来越多地受到纳米尺度界面工程的控制。特别是，包括金属-半导体（MS）接触和半导体-半导体（SS）异质结在内的电子结的合理设计，对于实现最佳性能至关重要。它能够精确调节电荷载流子动态和对气体暴露的表面反应。93–95,205 这些界面架构充当内置的信号放大器，增强了灵敏度、选择性和环境鲁棒性。在接下来的章节中，我们将重点关注电纺支持的气体传感器的最新进展，探讨如何利用MS和SS界面来优化传感性能。通过比较它们各自的设计逻辑、工作原理和集成策略，我们旨在提供对电纺架构中由界面驱动的传感机制的全面理解。

5.2.1. 金属-半导体异质结

MS异质结作为一种强大的气体传感策略，因为它们能够调节电荷载流子的传输、促进催化反应并放大传感器响应。当贵金属纳米颗粒与半导体氮化纤维界面结合时，可以在结处形成肖特基势垒，从而产生易受气体吸附引起的表面电荷变化的电子耗尽或积累区域。这种界面架构不仅实现了高灵敏度，还提高了选择性，特别是当与纳米结构设计和多功能接口集成时。在一个代表性的例子中，Lim等人开发了一种由近场电纺（NFES）制造的透明NO2传感器，如图19a所示。NFES过程可以精确沉积聚合物/前驱体纤维（a1–a4），随后通过热退火获得结晶的Au修饰SnO2氮化纤维。由于表面覆盖率极低（约0.3%）和纤维排列整齐，所得结构表现出高光学透明度。在微观层面上，Au纳米颗粒与SnO2骨架形成MS结，其中局部的表面等离子体共振（LSPR）效应在可见光下增强了光激活并催化了NO2的吸附。这种等离子体、催化和电子调制的协同作用使得该设备能够在室温下实现ppb级别的NO2检测，具有出色的选择性和重复性。至关重要的是，该传感器在材料层面进行了优化，并被集成到一个实用的、用户友好的系统中。图19b展示了一个无线传感模块，包括透明的氮化纤维传感器、支持蓝牙读取单元和商用电池，演示了低功耗、自主操作。数据实时传输到移动接口（图19c），用户可以通过专用智能手机应用程序监控NO2浓度。如图19d所示，传感器的透明性和室温操作特性使其适用于广泛的应用，包括环境监测（室外和室内）、智能窗户，甚至呼出气体分析。这增强了基于MS的传感器在物联网（IoT）平台上的适应性。

图19

用于选择性气体传感的金属-半导体异质结氮化纤维。(a) 通过直接写入近场电纺在ITO/玻璃基底上制备Au–SnO2氮化纤维传感器的方法。(b) 照片，(c) 实时空气质量监测，以及(d) 使用透明Au–SnO2氮化纤维的无线气体传感模块的其他潜在应用。92 经许可转载自参考文献92。版权所有2021，John Wiley and Sons。(e) ZIF-71膜的分子筛分效应，选择性地允许H2S分子（约3.6 ?）通过，同时排除更大的干扰物。(f) Ru–CuO@ZIF-71氮化纤维中H2S传感机制的示意图，包括气体吸附、在Ru位点上的氧化和肖特基势垒调制。205 经许可转载自参考文献205。版权所有2024，Springer Nature。作为这一策略的补充，另一项研究使用涂有ZIF-71膜的Ru–CuO氮化纤维进行选择性H2S检测（图19e和f）。205 Ru–CuO界面形成了典型的肖特基结，其中Ru作为H2S氧化的催化位点，而界面调节p型CuO氮化纤维上的电荷传输。ZIF-71层作为分子筛，选择性地允许小分子气体如H2S（动力学直径约3.6 ?）通过，同时排除较大的挥发性有机化合物（VOCs）如苯或丙酮。这种双重功能的架构结合了界面电子调制和物理筛分，实现了增强的灵敏度（低至100 ppb）、出色的气体选择性和在不同湿度条件下的稳定操作。这两个例子共同强调了MS结工程在气体传感器设计中的多功能性和有效性。无论是通过利用LSPR辅助的光激活还是肖特基势垒调制，金属-半导体界面都为放大气体-固体相互作用提供了基础机制。当进一步与结构图案化、无线模块和功能膜结合时，它们能够创建不仅灵敏且选择性高，而且便携、透明和兼容物联网的下一代传感器。

5.2.2. 半导体-半导体异质结

虽然MS界面通过肖特基势垒调制和等离子体激活在气体传感中展现出显著的性能，但它们对贵金属的依赖可能会限制其在复杂环境中的长期稳定性、成本效率和选择性。作为一种补充策略，特别是由两种金属氧化物或硫属化合物形成的SS异质结，因其可调的带对齐、缺陷工程的可调性和全无机兼容性而受到越来越多的关注。通过在异质界面创建内置电场，SS结促进了定向电荷传输，促进了高效的载流子分离，并调节了对气体暴露的表面吸附能量学。图20a和b展示了这一概念的一个代表性实现，Zhan等人开发了一种基于电纺木质素-ZnO氮化纤维的自供电、湿度触发的气体传感系统，这些氮化纤维掺杂了CaCl2。34 制造策略利用电纺生成一个含有Ca2+离子的多孔ZnO纤维网络，该网络在环境湿度下通过离子迁移和相分离形成原位的SS异质结。这种混合发电机-传感器系统将湿度梯度转换为电压信号，无需外部电源即可实时检测呼吸模式和运动引起的空气扰动。如图20b所示，该设备能够有效区分休息、运动和呼吸状态，展示了其在可穿戴呼吸诊断中的潜力。ZnO和CaCl2诱导的亚相（例如Zn(OH)2或水合Zn2+复合体）之间的SS界面对于调节离子-电子耦合至关重要，从而实现湿度分辨的电压读数。图20

半导体-半导体异质结氮化纤维用于自供电的湿度和气体传感。(a) LP–ZnO–CaCl2纤维基自供电传感器的制造过程和自供电传感机制。(b) 在不同呼吸状态下通过LP–ZnO–CaCl2设备的实时呼吸监测。34 经许可转载自参考文献34。版权所有2025，John Wiley and Sons。(c) 示意图，(d) 照片，(e) 动态NO2传感，以及(f) 多层SnO2–SnS2–SiO2异质氮化膜设备的弯曲测试。206 经许可转载自参考文献206。版权所有2024，John Wiley and Sons。为了将SS策略扩展到灵活的高温气体传感，Liu等人通过逐层电纺方法构造了一种全无机、自支撑的SnO2–SnS2–SiO2氮化膜（图20c）。该膜由SiO2氮化纤维骨架构成，上面依次沉积了SnO2–SnS2异质氮化纤维，形成了广泛的p–n异质结网络。数字照片展示了该全无机SnO2–SnS2–SiO2膜在各种弯曲状态下的出色机械柔韧性和自支撑能力（图20d）。除了结构上的透气性和机械柔韧性外，该设备对低浓度NO2（低至100 ppb）表现出高且可调的响应，最佳性能在400 °C时达到。值得注意的是，传感器在各种弯曲状态下都保持了其响应，表明在变形下结构-电子耦合的稳健性（图20f）。这两种案例研究共同展示了SS异质结提供了一种不同于MS界面的强大设计途径。不需要依赖贵金属，基于SS的氮化纤维允许精确的带工程、丰富的结形成和通过热或离子调制的可调界面状态。当嵌入到灵活、透气或响应湿度的架构中时，这些异质结构使得下一代气体传感器不仅节能、可变形，而且环境交互性强。这不仅扩展了材料设计的范围，超越了传统的MS平台，还为集成了能量采集、生理监测和空间选择性的多功能传感系统奠定了基础，从而在逻辑上为下一节的多功能电子系统讨论架起了桥梁。

5.3. 摩擦电发电机

摩擦电发电机（TENGs）已成为推进自供电电子系统的重要组成部分，尤其是在可穿戴和生物集成设备中。然而，传统的摩擦电发电机（TENG）制造方法往往在机械柔韧性、能量转换效率和结构可扩展性之间存在权衡。在这方面，电纺（ES）技术作为一种独特而强大的手段出现了，它能够在纳米尺度上控制纤维形态、材料组成和器件架构。通过设计具有增强表面积、优化介电性能和分层孔隙率的纳米纤维（NF）垫，ES技术显著提高了电荷生成和收集的效率。此外，ES纳米纤维膜本身的透气性、适应性以及可集成性使其非常适合用于基于纺织材料、与皮肤接触以及可变形的TENG平台。本节重点介绍了基于ES技术的TENG的最新进展，特别关注全有机架构、功能复合材料策略以及集成系统，这些系统实现了能量收集和实时传感的结合。

5.3.1 混合型TENG

在开发可穿戴TENG的过程中，始终存在一个挑战，即如何在高电输出与机械耐用性和用户舒适性之间找到平衡。基于ES技术的有机-无机混合策略成为了一种强有力的方法，能够同时优化摩擦电性能、结构有序性和机械坚固性。在一个代表性的例子中（图21a），Zhi等人通过一步ES辅助的自组装策略，将无铅钙钛矿纳米晶体Cs2InCl5(H2O)引入PVDF-HFP中，构建了一种核壳型NF结构。所得的Cs2InCl5(H2O)@PVDF-HFP（CIC@HFP）NFs展示了排列整齐的偶极子结构和丰富的β相含量。这些沿着纤维轴定向的有序偶极子促进了摩擦电荷分离和保留的效率，显著提升了输出性能。这种性能提升源于钙钛矿-聚合物混合结构诱导的偶极子对齐和界面极化作用，表明静电纺丝技术可以同时控制分子取向和纳米级极化中心。图21b展示了这一增强机制。在与带正电的尼龙-6,6层进行周期性接触和分离的过程中，高度极化的CIC@HFP NFs产生了明显的表面电位差和电子流动，实现了连续的交流输出。如图21c所示，KPFM分析进一步证实，在1.5 wt%的钙钛矿负载下，表面电位最高，这与最大电活性β相分数81.25%直接相关。这一发现强调了微调混合组成以优化偶极极化和摩擦电荷密度的重要性。

基于混合摩擦电NF的纳米发电机。(a) 由ES Cs2InCl5(H2O)@PVDF-HFP核壳NFs和尼龙-6,6 NFs构建的CIC@HFP TENG示意图。(b) CIC@HFP TENG在周期性接触-分离循环中的工作原理，由(c)通过KPFM测量的表面电位图支持。经参考文献80许可复制。版权2024，美国化学会。(d) 基于ZnO/PA11-聚合物纱线的TENG的电荷传输机制。经参考文献96许可复制。版权2022，爱思唯尔。在另一种结合功能性和可穿戴性的策略中，Chen等人开发了一种多层混合纱线结构，使用ES-PA11/ZnO NFs作为中间层，聚酯纤维作为外鞘（图21d）。这种纳米-微结构纱线不仅利用ZnO诱导的深层陷阱状态增强了电荷捕获，还表现出卓越的耐磨性、防水性和透气性。这些机械性能和舒适性特性对于在纺织品和皮肤上实现实际应用至关重要。在这两个系统中，ES工艺通过实现单轴分子对齐和相控制发挥了关键作用，这对于提升基于PVDF的材料的电活性性能是必不可少的。有机聚合物和功能性无机填料之间的协同界面工程为性能优化提供了坚实的途径，无论是通过氢键作用、电荷捕获还是能级对齐。总体而言，通过ES技术实现的有机-无机混合不仅通过分子和界面极化机制增强了摩擦电输出，还提供了可穿戴、生物相容性和机械稳定设备所需的结构可调性。这些进展代表了迈向可扩展、高性能TENG的重要一步，适用于集成到下一代自供电可穿戴系统中。

5.3.2 全有机TENG

随着柔性电子技术向完全集成、可持续和与人体兼容的系统发展，TENG已成为自供电可穿戴传感的核心技术。特别是通过ES制造的全有机TENG避开了刚性无机电极和脆性介电层，实现了固有的机械柔软性、透气性和与皮肤的贴合性。除了材料兼容性之外，静电纺纤维垫的结构可调性在电荷生成和机械能到电能的转换中起着决定性作用，其中纤维直径（数百纳米）、孔隙率和表面极化共同决定了可实现的表面电荷密度和输出稳定性。在Qi等人报告的一个代表性纺织集成系统中，使用嵌入了液态金属的PVDF-TrFE静电纺纤维垫作为负摩擦电层，镍涂层织物作为对电极，构建了一个可渗透的全有机TENG（pTENG）（图22a）。均匀分散的液态金属纳米颗粒的引入有效地增加了纤维膜的介电常数，从而加强了界面电荷存储，并抑制了重复接触-分离过程中的电荷耗散。因此，该设备的电输出得到提升，包括高归一化开路电压和高效的电荷传输能力。更重要的是，这种介电调制策略表明，纳米级填料工程可以用来调节静电纺聚合物网络中的极化行为。

基于全有机摩擦电NF的纳米发电机。(a) 基于ES Cs2InCl5(H2O)@PVDF-HFP核壳NFs和尼龙-6,6 NFs构建的CIC@HFP TENG示意图。(b) CIC@HFP TENG在周期性接触-分离循环下的工作原理，由(c)通过KPFM测量的表面电位图支持。经参考文献80许可复制。版权2025，约翰威利父子出版社。(c) 由PVDF-TrFE-PMMA NFs组成的有机TENG的结构图和SEM图像，这些NFs层叠在复写纸和Al电极之间。(d) 由PVDF-TrFE-PMMA NFs组成的有机TENG的输出电压信号。经参考文献97许可复制。版权2024，施普林格自然。除了电性能之外，纤维垫的分层多孔结构提供了高空气和水分渗透性，确保了与商业纺织品相当的机械柔软性和长期佩戴舒适性。当与能量管理系统集成时，pTENG能够实现高效的能量存储和传输，允许在人体运动下稳定运行无线传感系统，如图22b所示。这些结果表明，合理结合介电增强和透气纤维架构对于实现实用的、自供电的可穿戴平台至关重要。补充地，Deng等人开发了一种基于静电纺PVDF-TrFE/PMMA混合NFs和复写纸作为摩擦电对的完全有机接触-分离TENG（图22c）。通过在PVDF-TrFE基质中引入15 wt%的PMMA，氢键相互作用促进了β相的形成，并同时增强了纤维膜的机械完整性。这种分子级别的调节增强了偶极极化和机械耐久性，从而在循环变形下实现了改进的稳定电输出。在优化的工作条件下，全有机TA-TENG展示了可靠的电压生成和电流输出，如图22d所示，同时在扩展的循环中表现出优异的操作稳定性。多层多孔微纤维网络不仅增加了有效接触面积，还实现了有效的水分交换，这对于皮肤接触操作至关重要。从结构和功能的角度来看，这些结果清楚地表明，静电纺全有机TENG可以同时实现高电压输出（>30 V cm?2）、透气纺织品级别的渗透性和长期循环稳定性（>10^4–10^5次循环）。基于PVDF的纤维中的高β相极化、通过聚合物混合或纳米颗粒引入的介电增强，以及分层多孔纤维架构的结合，为克服传统上基于纺织材料的TENG的低功率密度提供了一个坚固的材料-结构-性能平台。总体而言，静电纺全有机TENG实现了机械适应性变形、高效低频能量收集和无线传感功能的独特集成，所有这些都在一个可透气的平台上实现。它们的内在柔软性、轻质特性和可扩展的制造性使它们成为下一代纺织电子、连续健康监测、运动分析和身体区域网络的关键构建块，从而弥合了摩擦电能量收集和多功能智能可穿戴系统之间的差距。

6. 结论与展望

电纺（ES）已被证明是一个强大且适应性强的平台，用于制造适用于下一代光电子和电子应用的一维纳米材料。通过合理设计溶液组成、工艺参数和收集器配置，ES能够精确控制NF的形态、组成和在多个长度尺度上的空间排列。这些能力为实现ES NF在包括光电探测器、场效应晶体管、摩擦电纳米发电机、气体传感器和类脑系统在内的各种高性能设备中的成功集成奠定了基础。本文讨论的应用场景展示了ES如何超越其作为制造方法的传统角色，演变为分层设备设计的策略。微尺度异質结构，如核壳纤维，以及宏观尺度架构，包括网络阵列或平行纤维排列，提供了前所未有的机会来定制界面电荷传输、光-物质相互作用和环境响应性。特别是，能够在统一的ES框架内结合多种材料系统（有机/无机、介电/导电和半导体/摩擦电），实现了跨功能的集成和新型混合功能。尽管在开发用于电子和光电子应用的ES NF方面取得了显著进展，但仍有几个有前途的方向需要探索，以弥合材料创新和实际应用之间的差距。

6.1 推进低温ES以适应更广泛的应用场景

传统的ES工艺通常需要在高温下进行后处理，以去除聚合物模板或在无机成分中诱导结晶。然而，这样的高温步骤限制了基材的选择和与柔性和温度敏感平台的兼容性。开发低温ES策略，包括利用紫外线光活化、等离子体处理或基于溶液的结晶，对于扩大ES纤维的应用范围具有巨大潜力。这对于与塑料电子、软体机器人和生物界面的集成尤为重要。未来的研究应该专注于优化溶剂系统、聚合物复合材料、交联化学和低温后处理工艺，以实现超低热预算的NF制造。

6.2 朝着ES NF设备的可扩展集成迈进

虽然单个ES纤维在概念验证阶段已经展示了吸引人的性能，但向大规模集成的过渡仍然是一个重大瓶颈。挑战包括在晶圆级基板上对NF的对齐、密度控制和图案化。诸如近场ES、掩模引导沉积和可编程3D收集器等新兴方法为解决这些问题提供了有希望的工具。此外，将多材料纤维集成到具有持续性能的设备阵列中对于实际应用（如传感器网络和类脑电路）至关重要。未来的研究应该优先发展纤维处理技术和与微制造兼容的架构，以实现晶圆级可制造性。

6.3 将ES NF与可拉伸和可穿戴电子结合

ES NF的固有柔韧性和高纵横比使它们成为可拉伸和可穿戴电子的理想候选者。然而，需要进一步努力以在重复变形下保持机械韧性，同时保持稳定的电性能和光学性能。将纤维嵌入弹性体基质中、设计蛇形或网状布局以及引入自愈功能等策略可以显著提升设备寿命。此外，将ES NF与新兴材料（如液态金属、导电水凝胶和基于纺织的材料）相结合，可能会实现具有贴合性和多模式传感功能的下一代可穿戴设备。探索这些跨学科机会对于扩展ES在物联网和个性化医疗保健中的作用至关重要。

6.4 开发可降解和环保的纤维系统

随着对电子废物和环境可持续性的关注日益增加，设计可降解的ES纤维已成为一个紧急且富有前景的方向。天然聚合物，如纤维素、壳聚糖、丝素和聚乳酸（PLA），为环保纤维制造提供了有吸引力的选择。这些材料减少了环境负担，并为临时电子设备、可植入设备和生物可吸收传感器开辟了新的可能性。然而，要与合成对应物实现性能相当仍是一项挑战。未来的努力应该旨在通过复合材料设计、交联策略和使用生物来源的添加剂来平衡降解性、机械强度和功能稳定性。总之，ES技术正处于一个变革性的阶段，其功能性应该与可集成性、可扩展性和可持续性相匹配。通过从单纤维性能指标转向系统级思考，ES社区可以充分发挥其在塑造下一代智能、灵活和环保电子产品中的潜力。

作者贡献

Xin Shuwen领导了文献调查，组织了综述的结构，整合了图表和表格，并起草和修订了手稿。You Meng构思了综述的范围，监督了整个框架，并修订了手稿。Ni Li负责参考文献的组织，协助组织了代表性研究，并参与了图表的准备。Wang Aolin协助了章节的撰写，并帮助改进了讨论。Pu Jinwei协助总结了设备应用，并参与了章节的撰写。Wu Siyuan参与了数据总结并协助了手稿的润色。Peng Xin参与了章节的撰写并核查了技术描述。Liu Yujin协助了设备指标的排序，验证了引用的准确性，并参与了写作。Tang Kun支持了手稿的组织，并协助改进了语言表述。赖正勋协助进行了调查研究工作，验证了技术分类的准确性，并参与了图表的制作。邵杰负责监督整个研究工作的概念方向，指导手稿的整理工作，并撰写了全文。何俊耀提供了指导，确保了学术内容的连贯性，对各个部分进行了评审，并最终审定了手稿。所有作者共同讨论了手稿内容并批准了最终版本。

**利益冲突**

目前没有需要声明的利益冲突。

**数据可用性**

本次研究未包含任何原始研究成果、软件或代码，也未生成或分析任何新的数据。

**致谢**

本研究得到了国家重点红外物理实验室开放基金（项目编号：SITP-SKLIP-ZD-2025-08）、国家自然科学基金（项目编号：62574077 和 62504079）、“111计划”（项目编号：B25033）以及香港特别行政区研究资助委员会（CityU 11208923）的支持。