(a) Kretsdiagram och (b) svepelektronmikroskopisk (SEM) bild av den optoelektroniska uppkonverteringsdesignen, inklusive en InGaP röd LED och en GaAs dubbelövergångsfotodiod med seriell anslutning. (c) Schematiskt diagram av uppkonverteringsanordningen för temperaturavkänning. Kredit:He Ding, Guoqing Lv, Xue Cai, Junyu Chen, Ziyi Cheng, Yanxiu Peng, Guo Tang, Zhao Shi, Yang Xie, Xin Fu, Lan Yin, Jian Yang, Yongtian Wang, Xing Sheng
Hög noggrannhet av rumslig och tidsmässigt upplöst temperaturavkänning är avgörande och har breda tillämpningar inom olika områden, såsom industriell tillverkning, miljöskydd och hälsoövervakning. Optiskt baserade sensorer erbjuder attraktiva lösningar för temperaturövervakning inom biomedicinsk diagnostik, på grund av deras fördelar med fjärrdetektering, minimalt intrång, immunitet mot elektromagnetiska störningar och hög upplösning. Dessa optiska avkänningsmodaliteter kan baseras på ljusintensitet, våglängd, toppbredd och/eller avklingningslivslängd. Uppkonverteringsmekanismen mildrar den biologiska autofluorescensen, underlättar vävnadspenetration och ger bekvämt visualiserade och lättfångade synliga ljussignaler, vilket presenterar en mer lämplig metod för avkänning i biologiska system
I en ny artikel publicerad i Light Science &Application , ett team av forskare, ledda av Dr. He Ding från School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Prof. Xing Sheng från Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, och medarbetare har utvecklat en optoelektronisk NIR-till-synlig uppkonverteringsenhet baserad på designade halvledarheterostrukturer, som uppvisar linjär respons, snabb dynamik och låg excitationskraft. De temperaturberoende fotoluminescensegenskaperna hos den optoelektroniska uppkonverteringsanordningen undersöks systematiskt och dess förmåga för termisk avkänning demonstreras.
Den föreslagna temperaturavkänningsstrategin är baserad på en helt integrerad optoelektronisk uppkonverteringsenhet som består av en galliumarsenid (GaAs) baserad dubbelövergångsfotodiod med lågt bandgap och en indiumgalliumfosfid (InGaP) baserad lysdiod (LED) med stort bandgap. seriekopplade. Som visats tidigare, de litografiskt definierade och epitaxiellt frigivna mikroskalaenheterna (storlek ~300×300 μm 2 ) realisera effektiv NIR-till-synlig uppkonvertering med linjär respons och ultrasnabb dynamik.
(a) Spektra för excitationen och den uppkonverterade fotoluminescens (PL) emissionen vid varierande temperaturer (25–90 ºC). (b) Beräknad (streckad linje) och uppmätt (punkter) toppvåglängd och PL-intensitet för den uppkonverterade röda emissionen som en funktion av temperaturen, och det skuggade området representerar standardavvikelsen uppmätt bland 10 prover. Kredit:He Ding, Guoqing Lv, Xue Cai, Junyu Chen, Ziyi Cheng, Yanxiu Peng, Guo Tang, Zhao Shi, Yang Xie, Xin Fu, Lan Yin, Jian Yang, Yongtian Wang, Xing Sheng
Under nära-infrarött ljusexcitation i våglängdsområdet 770–830 nm, åtföljs den röda emissionen från den optoelektroniska uppkonverteringsanordningen av en minskad intensitet och en rödförskjutning av emissionstoppen från 625 nm till 637 nm med ökande temperatur. Baserat på synergiska faktorer som tillskrivs materialens egenskaper och strukturdesign, en intensitet-temperaturkänslighet på ~1,5 % °C -1 och en spektrum-temperaturkänslighet på ~0,18 nm °C -1 uppnås.
Med en så robust optoelektronisk optisk uppkonverteringstermometer föreslår forskarna flera tillämpningar:
"Genom en stor anordningsuppsättning av de optoelektroniska uppkonverteringsanordningarna kan vi utföra rumsligt upplöst termisk avkänning. Till exempel använder vi luftpistoler för att generera hett luftflöde som blåser på provet, stör och så småningom släcker uppkonverteringsemissionen. Enligt förhållandet mellan emissionsintensitet och temperatur, kan vi få rumsfördelningen och temperaturförändringar i realtid, säger He Ding vid Beijing Institute of Technology.
(a) Rumsligt upplösta PL-svar för en enhetsarray under ojämn uppvärmning (vänster) och motsvarande temperaturkartläggning (höger). (b) Vänster:Fotografi av utandningstemperaturdetekteringen med fibersensorn. Höger:Dynamiska temperatursignaler under cyklade utandningsaktiviteter erhållna av fibersensorn baserat på emissionstopparnas våglängdsförskjutningar och PL-intensitetsförändringar, jämfört med resultat som samtidigt registreras av termoelementet. De grå områdena representerar åtgärder för utandning. (c) Vänster:Fotografi av en mus som beter sig med en fibersensor och ett termoelement implanterat i hjärnan för temperaturavkänning. Höger:Dynamiska temperatursignaler som erhålls i mushjärnan av fibersensorn baserat på emissionstopparnas våglängdsförskjutningar och PL-intensitetsförändringar, jämfört med resultat som samtidigt registreras av termoelementet. Den skuggade grå regionen representerar den tidsperiod då musen placeras i en varm miljö vid cirka 40 ºC. Kredit:He Ding, Guoqing Lv, Xue Cai, Junyu Chen, Ziyi Cheng, Yanxiu Peng, Guo Tang, Zhao Shi, Yang Xie, Xin Fu, Lan Yin, Jian Yang, Yongtian Wang, Xing Sheng
"Uppkonverteringsanordningen kan frigöras från det odlade substratet och ytterligare integreras med fiberoptik för att bilda ljusstyrda termiska sensorer. Kompletterande med tjudrade elektriska sensorer är en sådan optiskt baserad teknik mer lämpad för användning i miljöer med starka elektromagnetiska störningar, och i synnerhet kapabel att erhålla signaler under magnetisk resonanstomografi (MRI).Ett sådant fiberkopplat, bärbart system kan bekvämt appliceras för biomedicinska applikationer, till exempel för att övervaka utandningsbeteendet stängt till munnen av mänsklig och djup vävnad med implantationen i mushjärnan, som en proof-of-concept-demonstration", sa Xing Sheng vid Tsinghua University.
"De MRI-kompatibla, implanterbara sensorerna i kombination med fiberoptik erbjuder både forskning och klinisk betydelse, med en potential för lokaliserad temperaturövervakning i djupet av kroppen. Dessa material och enhetskoncept etablerar en elverktygssats med omfattande tillämpningar inom miljö och sjukvård, " avslutade Xing Sheng. + Utforska vidare
