水下自供电全光无线超声传感系统：基于电致发光的创新设计

该研究设计了一种基于电致发光的水下自供电全光无线超声传感器（SAWS）。SAWS通过将ZnS:Cu粒子引入顶层摩擦电层和底部纳米纤维之间的空腔结构，成功地在水下超声波激励下生成了有效稳定的电致发光。该研究对SAWS的工作原理和传感性能的影响因素进行了全面研究。SAWS具有自供电能力、快速响应时间、低成本、超高灵敏度、易于制造、环境友好和稳定性等优点，通过水下传感、定位和光通信等实验证明了其潜在应用。SAWS为构建水下自供电全光无线超声传感系统提供了全新的方法，极大地拓宽了智能光学材料在水下应用的范围，具有在水下传感系统、海洋传感网络和海洋机器人等领域的重要潜力。

4. 实验部分

聚偏二氟乙烯 (PVDF) 纳米纤维的制备： 将质量分数为 10% 的 PVDF 粉末（分子量约为 400000，麦林）溶解于 10 毫升的溶剂混合物中，该溶剂混合物由 60% 的丙酮（克美尔）和 40% 的二甲基甲酰胺（DMF，克美尔）组成。然后，将均匀的 PVDF 溶液在 80 °C 的水浴中加热并连续搅拌 5 小时，以完全溶解聚合物，直到获得清澈且无气泡的溶液。随后，在正高压 15 kV 和负高压 1.5 kV 下进行静电纺丝过程（BJTechNOVA，TEADFS-100），使针尖与接地的旋转滚筒收集器（200 rpm）之间的间距为 15 厘米。接下来，将 PVDF 溶液转移到塑料注射器中，并使用注射器泵以 1.5 毫升/小时的流速注入。最后，将样品从收集器中取出，以获得 PVDF 纳米纤维膜。

SAWS 的制备： 首先，使用激光切割技术从 PET 薄膜中均匀切割出一系列圆柱形空腔，作为 SAWS 的空腔层。其次，将取下的 PVDF 纳米纤维切割成相同尺寸并固定在透明防水基板上，然后将切割的 PET 薄膜放置在 PVDF 纳米纤维上，并在每个空腔中均匀地铺设 ZnS:Cu 粒子（上海 KPT 公司），并在每个空腔中使用适度的重量。最后，用 FEP 薄膜覆盖切割的 PET 层，并将整个层使用热压技术压成一个具有防水边缘的全合一器件。

COMSOL 模拟： 在模拟中，FEP 薄膜和 PVDF 纳米纤维的尺寸分别为 160 × 50 微米2 和 160 × 20 微米2，间距为 150 微米。ZnS:Cu 荧光粉的直径设置为 40 微米。FEP 薄膜、PVDF 纳米纤维和 ZnS:Cu 荧光粉上的电荷密度分别设置为 -3.5 微库仑/米2、-55 微库仑/米2 和 +58.5 微库仑/米2。整个装置被一个边长为 600 毫米的接地空气方块包围。模拟中使用的介电常数为：空气 ε = 1.0，FEP 薄膜 ε = 2.4，PVDF 纳米纤维 ε = 9.3，ZnS:Cu 荧光粉 ε = 8.6。

表征： 使用场发射扫描电子显微镜 (SEM，Nova Nano 450，FEI，日本) 拍摄所有 SEM 图像。使用 X 射线衍射 (XRD) 系统 d8-advance (Bruker AXS GmbH，德国) 在室温下表征空腔结构。采用紫外-可见-近红外 (UV-Vis-NIR) 光源 (UV-3600，岛津，日本) 分析 FEP 薄膜和 PVDF 纳米纤维的透射率。采用配备有准直透镜的垂直排列光纤的光谱仪 (Nova，Idea Optics，中国) 观察光发射。还使用瞬态和稳态荧光光谱仪 (FLS-980，爱丁堡，英国) 测量 PL 光谱。