I samband med utvecklingen av smart hälsovård mot digitalisering har den nya generationen fotodetektorer ett brett spektrum av tillämpningsmöjligheter och ett enormt marknadsvärde. Egenskaperna hos grafenmaterial, såsom stor bärarmobilitet, utmärkt optisk transparens och hög mekanisk styrka, gör det till en favorit för utvecklingen av den nya generationens fotodetektorer.
De flesta fotodetektorer använder fasta halvledare och använder sällan vätska som avkänningsenhet, och den traditionella heterogena eller homogena PN-övergångsfotodetektorberedningsutrustningen är dyr och komplicerad, såsom behovet av avancerad vakuumepitaxutrustning såsom metall-organisk kemisk ångdeposition (MOCVD) , molecular beam epitaxi (MBE), och tillväxtprocessen som motsvarar dessa enheter på halvledar PN-övergången har en mycket strikt materialgittermatchning.
Tillväxtprocesserna som motsvarar dessa enheter har mycket strikta krav på materialgittermatchning av halvledar-PN-övergångar, vilket begränsar valet av halvledare som behövs för detektering av olika ljuskällor. Dessutom kräver fotoexciterade bärare en applicerad förspänning som en applicerad drivenhet för att samla in bärarna, vilket ytterligare ökar kostnaden och energiförbrukningen för drivkretsarna.
För att lösa detta problem rapporterade professor Shisheng Lins team vid Zhejiang University en ny grafenfotodetektor baserad på polariserade vätskor som vattenmolekyler. Efter att den polära vätskan är i kontakt med halvledaren av N-typ och grafen, på grund av skillnaden mellan Fermi-energinivån och den polära vätskans kemiska potential, kommer den polära vätskan vid gränsytan att polariseras och motsvarande laddning kommer att induceras vid fast-vätske tvåfasgränssnittet.
Under bestrålning av en extern ljuskälla genereras ett stort antal hålelektronpar i halvledaren, och dessa fotogenererade bärare samlas på båda sidor av den polära vätskan och matar ut en transient fotopolarisationsström.
Under kontinuerlig bestrålning från en extern ljuskälla polariseras fler polära vätskemolekyler av de nya fotogenererade bärarna samlade på båda sidor, vilket får vattenmolekylerna att rotera på ett ordnat sätt och genererar en stabil fotopolarisationsström, och ökningen av fotopolarisationsströmmen. uppnås ytterligare genom att introducera joniska lösningar.
Dessutom föreslår arbetet en ny enhetsfysik för vätskebaserade fotodetektorer, som utnyttjar flexibiliteten och den höga ledningsförmågan hos grafen för att uppnå en stabil och högprecision icke-invasiv mänsklig syreövervakningsfunktion baserad på vätskefotodetektorer. Resultaten publicerades i Research som "Självdriven fotopolariserad vattenmolekyl utlöst grafenbaserad fotodetektor."
Den fysiska ramen för dynamisk diod som ursprungligen föreslogs av Prof. Shisheng Lins grupp 2018 (Authorized National Invention Patent:CN201810739256.2, Auktoriserat U.S. Uppfinningspatent:US Patent 11 522 468), denna gång utvecklade den ursprungliga användningen av snabb mekaniska vattenrotation självdrivna fotodetektorer som använder molekylära skalor för polära vätskebaserade. Dessa fotodetektorer undviker effektivt behovet av gittermatchning och uppnår god detekteringsprestanda från djupt ultraviolett till nära infrarött.
Jämfört med de nya fotodetektorerna har helsolid-state-enheterna fotogenererade bärare som omedelbart separeras av det inbyggda elektriska fältet efter exciteringen av infallande ljus, och ingen transient fotopolarisationsström uppstår. Och på grund av de olika Fermi-energinivåerna och kemiska potentialerna uppvisar Gr/W/N-GaN och Gr/W/P-GaN olika riktade fotoströmutgångar. Under excitation av ljus driver ett stort antal fotogenererade bärare mot gränsytan och polariserar vattenmolekylerna.
Att använda en saltlösning av den polära vätskan istället för avjoniserat vatten förbättrar fotoströmmen ytterligare genom att öka konduktiviteten hos den mellanliggande polära vätskan. Författarna undersökte därefter enhetens beroende av optisk effekt och enhetens brus. Resultaten visar att enheten vid låga frekvenser domineras av 1/f-brus, medan enheten uppvisar god fotokonverteringsstabilitet och optiska effektberoende egenskaper.
Föreliggande arbete tillhandahåller ett potentiellt sätt att bryta igenom begränsningen av gitteranpassning av heteroövergångshalvledarfotodetektorer genom att fritt välja en lämplig halvledare i kombination med en polär vätska enligt den våglängd som ska detekteras. I detta arbete är GaAs med bredbandsabsorption integrerad i en fotokonverteringsmätenhet för att framgångsrikt upptäcka synliga och nära-infraröda våglängder.
Författarna har framgångsrikt extraherat AC- och DC-komponenterna i signalen från den fotovolumetriska pulsvågen, där AC-komponenten huvudsakligen härrör från ljuset som absorberas av detektorn genom blodet som strömmar genom artärerna, vilket är en direkt reflektion av förändringen i kärldiameter.
En stabil icke-invasiv mänsklig oximetriövervakningsfunktion baserad på polära molekylära vätskepolarisationsfotodetektorer uppnåddes slutligen, med hjärtfrekvens och syremättnad vid 69,7-74,2 slag per minut respektive 93,8-95,6 %, vilket är mycket nära de som erhålls med kommersiella oximetrar. samtidigt.
Den aktuella studien avslöjar vätskebaserade högpresterande UV-fotodetektorer, där införande av en polär vätska i en PN-övergång kan generera en ihållande fotopolarisationsström under ljusbelysning.
Under ljusbelysning kommer de fotogenererade elektronerna och hålen kontinuerligt att röra sig mot fast-vätskegränssnittet på grund av skillnaden i kemiska potentialer hos polarisatorer och halvledar Fermi energinivåer, vilket ger en ny idé för att lösa problemet med att detektorn begränsas av gittret -matchande begränsningar och den godtyckligt justerbara detekteringsvåglängden.
I framtida forskning kommer forskarna att fokusera på att designa flexibla bärbara hälsoövervakningsenheter för viktiga tillägg. De försöker också lösa de olika problem som för närvarande begränsar gittermatchningen av heterojunction-detektorer och att tillhandahålla olika kritisk information för icke-invasiv hälsobedömning av människokroppen genom optoelektroniska övervakningsanordningar.
Mer information: Shisheng Lin et al, Self-Driven Photo-Polarized Water Molecule-Triggered Graphene-Based Photodetector, Forskning (2023). DOI:10.34133/research.0202
Journalinformation: Forskning
Tillhandahålls av Research
