Professor Ji-woong Yang vid institutionen för energivetenskap och teknik, Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology har framgångsrikt utvecklat världens högst presterande miljövänliga kvantpunktsfotosensor som inte kräver någon extern strömkälla.

Det bekräftades att den miljövänliga fotoniska kvantpricksensorn utvecklats genom gemensam forskning med professor Moon-kee Chois forskargrupp vid Institutionen för ny materialteknik, Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) och professor Dae-hyeong Kims forskargrupp vid Institutionen för kemi- och biomolekylär teknik, Seoul National University (president Hong-lim Ryu) kan stabilt mäta ljussignaler utan någon extern strömkälla, på grund av den fotovoltaiska effekten.

Det gemensamma forskarteamet har också tagit fram en hudmonterbar ultratunn pulssensor baserad på denna fotosensor, och introducerat den bärbara pulssensorn som stabilt kan ta emot pulssignaler trots olika deformationer. Verket publiceras i tidskriften ACS Nano .

Under de senaste åren har den åldrande befolkningen och covid-19-pandemin lett till en växande efterfrågan på utrustning för övervakning av hälsovård som kan fästas på kroppen under en lång tid för att få biometriska signaler. Traditionella kiselbaserade fotosensorer är dock inte vanliga i praktiken eftersom de är tunga och styva, vilket gör dem obekväma att bära under en längre tid. De kan inte heller få biometriska signaler exakt eftersom de inte kan vara i nära kontakt med huden.

Årets Nobelpris i kemi tilldelades tre forskare som upptäckt och utvecklat kvantprickar, som också är kända som nanovetenskapens frön. Kvantpunkter är ultrafina halvledarpartiklar, som bara är några få nanometer (nm, en miljarddels meter) stora, och deras bättre optiska och elektriska egenskaper än traditionella halvledarmaterial gör att de snabbt kan separera elektroner och elektronhål.

Eftersom kvantprickar har fördelen av snabb svarstid när de används som fotosensor, har fotosensorforskning baserad på kvantprickar utförts i stor utsträckning. De flesta av de befintliga kvantpunktsfotosensorerna är dock tjockare än några mikrometer, och det mesta av forskningen använder kvantprickar, som blysulfid (PbS), som innehåller giftiga tungmetaller. Därför kan prickarna inte användas för en bärbar fotosensor i praktiken.

Forskargruppen har nu framgångsrikt utvecklat en ultrahögpresterande kvantpunktsfotosensor baserad på de miljövänliga kvantprickarna av koppar-indium-selenid (Cu-In-Se), som inte innehåller tungmetaller. Det hade varit allmänt accepterat att fotosensorer baserade på miljövänliga kvantprickar har dålig prestanda. Icke desto mindre förbättrade forskargruppen de elektriska egenskaperna hos miljövänliga kvantprickar genom att kontrollera storleken och sammansättningen av prickarna, utvecklade ett nytt organiskt-oorganiskt hybridladdningsöverföringsskikt, som är lämpligt för prickarna, och skapade ett miljövänligt kvantum. punktfotosensor som överträffar prestandan hos befintliga toxiska kvantprickfotosensorer.

Den miljövänliga kvantpunktsfotosensorn som skapats av forskargruppen visar hög enhetsprestanda även med ett kvantpunktsabsorptionsskikt på cirka 40 nanometer (nm). Dessutom uppvisar den utmärkt ljusdetekteringsprestanda utan någon extern strömkälla. Dessa två egenskaper kan tjäna som en stor fördel för bärbara fotosensorapplikationer och användning.

Forskargruppen utvecklade också en bärbar pulssensor genom att kombinera fotosensorn producerad på ett polymerbaserat flexibelt substrat med en ljuskälla. Sensorn hade flexibiliteten att fungera stabilt även i en krökningsradie på 0,5 millimeter (mm), och kunde stabilt mäta pulsen även i olika situationer där det finns rörelse, såsom gång och löpning, efter att ha fästs vid människokroppen .

Professor Ji-woong Yang sa:"Genom att kontrollera strukturen hos miljövänliga kvantprickar och utveckla ett laddningsöverföringsskikt optimerat för prickarna, kunde vi göra en högpresterande miljövänlig kvantpunktsfotosensor."

UNIST Professor Moon-kee Choi sa:"Vi kunde skapa en ultratunn pulssensor med hög flexibilitet baserad på den miljövänliga kvantpunktsfotosensorn som inte kräver någon extern strömkälla. Den skulle kunna användas för olika nästa generations fotosensorapplikationer , såsom lidar- och infraröda kameror, samt bärbara övervakningssystem för hälsovård."

Mer information: Shi Li et al, Ultrathin självdrivna tungmetallfria Cu–In–Se Quantum Dot Photodetectors for Wearable Health Monitoring, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c05178

Journalinformation: ACS Nano

Tillhandahålls av Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST)