En flydende vandmolekyle-baseret grafen heterogen fotodetektor og dens anvendelse i et oximeter
I forbindelse med udviklingen af smart sundhedspleje mod digitalisering har den nye generation af fotodetektorer en bred vifte af anvendelsesmuligheder og enorm markedsværdi. Grafenmaterialets egenskaber, såsom stor mobilitet, fremragende optisk gennemsigtighed og høj mekanisk styrke, gør det til en favorit til udviklingen af den nye generation af fotodetektorer.
De fleste fotodetektorer bruger faste halvledere og bruger sjældent væske som sensorenhed, og det traditionelle heterogene eller homogene PN-junction fotodetektor forberedelsesudstyr er dyrt og kompliceret, såsom behovet for avanceret vakuumepitaksiudstyr såsom metal-organisk kemisk dampaflejring (MOCVD) , molecular beam epitaxy (MBE) og vækstprocessen svarende til disse enheder på halvleder PN-junction har et meget strengt materialegittermatch.
De vækstprocesser, der svarer til disse enheder, har meget strenge krav til materialegittertilpasning af halvleder-PN-forbindelser, hvilket begrænser valget af halvledere, der er nødvendige til detektering af forskellige lyskilder. Derudover kræver foto-exciterede bærere en påført forspænding som en påført driver til at opsamle bærerne, hvilket yderligere øger omkostningerne og energiforbruget af driverkredsløbene.
For at løse dette problem rapporterede professor Shisheng Lins team ved Zhejiang University en ny grafenfotodetektor baseret på polariserede væsker såsom vandmolekyler. Efter at den polære væske er i kontakt med N-type halvleder og grafen, på grund af forskellen mellem Fermi energiniveauet og det kemiske potentiale af den polære væske, vil den polære væske ved grænsefladen blive polariseret, og den tilsvarende ladning vil blive induceret ved fast-væske to-fase grænsefladen.
Under bestråling af en ekstern lyskilde genereres et stort antal hul-elektronpar i halvlederen, og disse fotogenererede bærere samler sig på begge sider af den polære væske og udsender en transient fotopolarisationsstrøm.
Under kontinuerlig bestråling fra en ekstern lyskilde polariseres flere polære væskemolekyler af de nye fotogenererede bærere samlet på begge sider, hvilket får vandmolekylerne til at rotere på en ordnet måde og genererer en stabil fotopolarisationsstrøm og stigningen i fotopolarisationsstrømmen opnås yderligere ved at introducere ioniske opløsninger.
Desuden foreslår arbejdet en ny enhedsfysik til væskebaserede fotodetektorer, som udnytter fleksibiliteten og den høje ledningsevne af grafen til at opnå en stabil og højpræcision ikke-invasiv iltovervågningsfunktion baseret på væskefotodetektorer. Resultaterne blev offentliggjort i Research som "Selvdrevet fotopolariseret vandmolekyle-udløst grafen-baseret fotodetektor."
Den fysiske ramme af dynamisk diode, der oprindeligt blev foreslået af Prof. Shisheng Lins gruppe i 2018 (autoriseret national opfindelsespatent:CN201810739256.2, autoriseret amerikansk opfindelsespatent:US patent nr. 11.522.468), denne gang udviklede den oprindelige brug af vandmolekyler, mekaniske rotationer selvdrevne fotodetektorer ved hjælp af molekylære skalaer til polære væskebaserede. Disse fotodetektorer undgår effektivt behovet for gittertilpasning og opnår god detekteringsydelse fra den dybe ultraviolette til den nære infrarøde.
Sammenlignet med de nye fotodetektorer har alle-solid-state-enhederne fotogenererede bærere, der øjeblikkeligt er adskilt af det indbyggede elektriske felt efter excitationen af det indfaldende lys, og der forekommer ingen transient fotopolariseringsstrøm. Og på grund af de forskellige Fermi-energiniveauer og kemiske potentialer udviser Gr/W/N-GaN og Gr/W/P-GaN forskellige retningsbestemte fotostrømudgange. Under excitation af lys driver et stort antal fotogenererede bærere mod grænsefladen og polariserer vandmolekylerne.
Anvendelse af en saltopløsning af den polære væske i stedet for deioniseret vand forbedrer fotostrømmen yderligere ved at øge ledningsevnen af den mellemliggende polære væske. Forfatterne undersøgte derefter afhængigheden af enheden med optisk effekt og enhedsstøjen. Resultaterne viser, at enheden ved lave frekvenser domineres af 1/f-støj, mens enheden udviser god fotokonverteringsstabilitet og optiske effektafhængighedsegenskaber.
Det foreliggende arbejde tilvejebringer en potentiel måde at bryde igennem begrænsningen af gittertilpasning af heterojunction-halvlederfotodetektorer ved frit at vælge en passende halvleder i kombination med en polær væske i overensstemmelse med den bølgelængde, der skal detekteres. I dette arbejde er GaAs med bredbåndsabsorption integreret i en fotokonverteringsmålingsenhed for at kunne detektere synlige og nær-infrarøde bølgelængder.
Forfatterne har med succes ekstraheret AC- og DC-komponenterne af signalet fra den fotovolumetriske pulsbølge, hvor AC-komponenten hovedsageligt er afledt af lyset absorberet af detektoren gennem blodet, der strømmer gennem arterierne, hvilket er en direkte afspejling af ændringen i kardiameter.
En stabil ikke-invasiv human oximetri-overvågningsfunktion baseret på polære molekylære væskepolarisationsfotodetektorer blev endelig opnået, med hjertefrekvens og iltmætning opnået ved henholdsvis 69,7-74,2 slag i minuttet og 93,8-95,6 %, hvilket er meget tæt på dem, der opnås med kommercielle oximetre på samme tid.
Denne undersøgelse afslører væskebaserede højtydende UV-fotodetektorer, hvor indsættelse af en polær væske i en PN-forbindelse kan generere en vedvarende fotopolarisationsstrøm under lysbelysning.
Under lysbelysning vil de fotogenererede elektroner og huller kontinuerligt bevæge sig mod faststof-væske grænsefladen på grund af forskellen i kemiske potentialer af polarisatorer og halvleder Fermi energiniveauer, hvilket giver en ny idé til at løse problemet med at detektoren er begrænset af gitteret -matchende begrænsninger og den vilkårligt justerbare detektionsbølgelængde.
I fremtidig forskning vil forskerne fokusere på at designe fleksible, bærbare sundhedsovervågningsenheder til vigtige tilføjelser. De søger også at løse de forskellige problemer, der i øjeblikket begrænser gittertilpasningen af heterojunction-detektorer og at give forskellige kritiske oplysninger til ikke-invasiv sundhedsvurdering af den menneskelige krop gennem optoelektroniske overvågningsanordninger.
Flere oplysninger: Shisheng Lin et al., Self-Driven Photo-Polarized Water Molecule-Triggered Graphene-Based Photodetector, Forskning (2023). DOI:10.34133/research.0202
Journaloplysninger: Forskning
Leveret af Research
Varme artikler
-
Diamant viser sig at være nyttigt materiale til dyrkning af grafenKredit:Argonne National Laboratory Grafen er fremtidens ting. Årevis, forskere og teknologer har forudsagt nytten af de ét atom-tykke plader af rent kulstof i alt fra avancerede touchskærme og h -
Nanorør oplyser vejen til levende solcellerLyshøstende bakterier infunderet med nanopartikler kan producere elektricitet i en levende solcelle. Kredit:Giulia Fattorini Vi sætter nanorør inde i bakterier, siger professor Ardemis Boghossian v -
Forskere udvikler tynd, gennemsigtige og lette tryksensorer med touchskærmThe Integrated Electronics and Biointerfaces Labs zinkoxid-touchscreen-array fikseret på en bærerwafer og testet med en kommerciel (Synaptics, Inc.) skærmdriver. Kredit:University of California - San -
MIT forvandler magisk materiale til alsidige elektroniske enhederKunstnerisk repræsentation af den nanoskopiske struktur af en af de nye MIT nanoenheder. To snoede plader af grafen er repræsenteret af de metallisk-blå kulstofatomer i et bikagegitter. Elektroder (
- Bolivianske foderbrugere med fantastisk hjertesundhed er splittet over, hvad der gør et godt liv
- JPL underviser i, hvordan man får rumkontrakter
- Tropisk cyklon Savannah forsvinder i Suomi NPP satellitbilleder
- Den fotoelektriske effekt i stereo
- Hvorfor kuldioxid har så stor indflydelse på jordens klima
- Hvad er Gibberellic Acid?