可穿戴光電系統通常結合微型化、便攜式光電傳感器使用，能夠貼合人體表面，實現健康監測與環境防護。然而，要開發結構簡單、適應復雜工況（如水陸交替環境）且具備高靈敏度與長期穩定性的先進傳感器，仍面臨諸多困難和挑戰。近期，我院教授孫海定iGaN Lab課題組受兩棲生物對光的感知與適應機制啟發，提出一種無需封裝、可在水下和陸地穩定工作的水陸兩用自供電紫外光電化學傳感器。基于此，研究團隊搭建了全天候濱水環境紫外監測系統，可在不同天氣條件下實現連續、可靠的兩棲紫外監測。該研究為面向復雜環境的可穿戴光傳感器提供了全新思路，并推動了高性能、多功能的水陸兩用光電系統的發展。該研究成果以“A Quasi Solid-State Hydrogel/InGaN Nanorod Heterostructure-Enabled Amphibious Sensor for Stable and Cross-Medium Optical Sensing and Monitoring”為題，發表于國際知名期刊《ACS Nano》，并入選期刊封面論文。

圖1. 本文ACS Nano期刊封面 

在可穿戴健康監測和環境感知領域，光電傳感器因其非侵入性、高靈敏度和便攜性，正成為關鍵技術之一。然而，傳統固態傳感器在濕潤、水下等極端環境中往往面臨封裝復雜、柔性差和性能下降等挑戰。近年來，光電化學（PEC）器件憑借其水環境兼容性和自供能特性，為構建下一代柔性、環境自適應傳感系統提供了全新思路。盡管PEC設備無需傳統防水封裝，即可在水中運行，但其液態結構的柔性和穩定性仍是亟待解決的問題。因此，開發具備高穩定性、環境適應性的新型PEC傳感器架構，將為穿戴式光電子系統在極端條件下的實時監測和智能響應打開新局面。

 有趣的是，生活在海岸潮間帶的招潮蟹，進化出獨特的“兩棲紫外感知”機制—它們的復眼內含對紫外線高度敏感的視錐細胞，可實時監測空氣與水中紫外線強度梯度（圖1a）。受此啟發，本工作采用銦鎵氮納米線為光敏單元（圖1c），開發了一種基于水凝膠/銦鎵氮納米線異質結構的水陸兩棲紫外傳感器（圖1b）。通過調控銦鎵氮納米線的帶隙，器件在280-420?nm波段內表現出強烈光響應，而在420?nm以上幾乎無響應，實現了對太陽光中有害紫外波段（280-420 nm）的高選擇性檢測（圖2b）。進一步，在納米線表面引入碳層鈍化，有效鈍化了納米線表面態，使器件在385?nm波長下表現出優異的光傳感性能（圖1d），包括高響應率（130.7?mA/W）和快速響應速度（<10?ms）。更重要的是，器件展現出突出的“水陸兩棲”紫外檢測性能--在無任何封裝的情況下，器件可直接在水下工作，且在空氣與水下環境中均保持穩定且一致的光響應特性（圖1e和f），體現出良好的環境適應性和實用潛力。

圖1. 水凝膠/InGaN納米線異質結水陸兩棲光傳感器的設計以及其水陸兩棲光電性能的表征 

在此基礎上，該團隊構建了一個水陸兩用的紫外監測系統，實現了對不同天氣條件下環境紫外強度的實時監測，包括晴天、陰天、多云及雨天。值得注意的是，即便在陰天，系統仍可檢測到超過1? mW/cm²的紫外輻射，提示公眾“陰天亦需防曬”。此外，系統還實現了從06:00至18:00的全天候UV強度連續監測，結果顯示12-14點為紫外暴露高峰期，且水下紫外強度在此時段甚至可與陸地持平，為海邊活動人群的紫外防護提供了重要的科學參考。

圖2. 水陸兩棲紫外線輻射監測系統的應用演示 

 此項研究工作得到國家自然科學基金項目、中國科大微電子學院、中國科大微納研究與制造中心和理化科學實驗中心的支持。該研究聯合武漢大學劉勝院士團隊的東芳副研究員和梁康教授共同完成，我院孫海定教授和武漢大學東芳副研究員為論文通訊作者。我院博士研究生陳煒和碩士研究生李陽為論文的共同第一作者。

（來源：中國科學技術大學微電子學院）