“织”就未来:石墨烯-钙钛矿光纤光电探测器,让可穿戴科技更进一步

更新时间:2024-06-12      点击次数:193

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想象一下,未来我们穿的衣服不再仅仅是蔽体的工具,而是能够感知周围环境,监测身体状况,甚至实现人机交互的智能系统。这正是可穿戴科技的魅力所在!而将光电器件,如晶体管和光电探测器(PDs),集成到可穿戴设备和纺织品中,是实现这一愿景的关键。

然而,可穿戴科技的发展面临着巨大的挑战,其中一个关键问题是如何让器件在弯曲、拉伸等机械形变下保持稳定性能。传统的器件大多依赖于硅基材料,难以满足柔性可穿戴的需求。

 

石墨烯-钙钛矿开启可穿戴科技新纪元

为了突破这一技术瓶颈,来自剑桥大学的 Andrea C. Ferrari 教授团队在 Advanced Materials 期刊上发表了一项突破性研究,他们巧妙地将石墨烯和钙钛矿结合起来,制备出具有优异性能的可穿戴光纤光电探测器。

l  石墨烯纤维,开启无限可能
该团队首先使用化学气相沉积 (CVD) 方法在铜箔上生长出单层石墨烯 (SLG),并将其转移到光纤上,然后将光纤绕转石墨烯层,形成导电的光纤。再通过原子层沉积 (ALD) 技术沉积一层 Al2O3 薄膜作为介电层,并通过相同方法将另一层石墨烯卷绕在上面,形成器件的通道。最后,在通道层上沉积一层钙钛矿,作为器件的光敏元件。

l  石墨烯-钙钛矿材质特性整理
- 石墨烯,是单层碳原子组成的平面材料,厚度仅为一个原子层,是已知最薄的材料之一。
其优势:

l  高导电性: 石墨烯具有优异的导电性能,电子迁移率在室温下可以达到15000 cm²/V·s以上。使其成为制作导电纤维的理想材料。

l  柔性可弯曲且轻薄: 石墨烯作为二维材料非常轻薄,几乎没有重量的柔性特性使其能够适应纤维的弯曲变形,不会影响器件性能。

l  化学稳定性: 石墨烯具有良好的化学稳定性,可以抵御环境中的腐蚀和氧化,从而保证器件的长期稳定性。

-钙钛矿的优势

l  高光响应: 钙钛矿材料具有良好的光电特性,使其成为制作光电探测器的理想选择。

l  可调谐能隙: 钙钛矿材料的能隙可以通过改变其成分进行调节,使其适用于不同的光谱范围。

l  低成本: 钙钛矿材料可通过溶液发低温制备,工艺简单且成本低廉,使其具有经济优势。

该团队制备的光纤光电探测器 (PD) 表现出优异的性能:

高速响应: 响应时间约为 9 毫秒,比现有的可穿戴光纤光电探测器快一个数量级。

高外部响应度: 488 nm 激光照射下,器件在 1 V 偏置电压下具有约 22 kA/W 的外部响应度,比现有的可穿戴光纤光电探测器高两个数量级。

优异的柔韧性: 4 mm 半径弯曲下,器件的光电流保持率高达 80%,展现出优异的柔韧性。

良好的耐洗性: 经过 30 AATCC 标准洗涤测试后,器件的光电流保持率约为 72%,展现出良好的耐洗性。

 

未来的应用场景

这项研究为可穿戴光电探测器的开发开辟了新的道路,具有广阔的应用前景:

l  医疗保健: 可穿戴光纤光电探测器可以集成到衣物中,监测心率、血压等生理参数,为疾病诊断和健康管理提供更便捷的方式。

l  人机交互: 光纤光电探测器可以感知环境光线变化,从而实现人机交互,例如控制智能设备、照明系统等。

l  安全监测: 光纤光电探测器可以用于监测危险环境,例如检测有害物质或危险气体,保障人员安全。


挑战与机遇

尽管石墨烯-钙钛矿光纤光电探测器展现出巨大的应用潜力,但其发展也面临着一些挑战:

稳定性: 钙钛矿材料的稳定性仍然是制约其应用的重要因素。如何在恶劣环境条件下保持钙钛矿材料的稳定性,是未来研究的重点。

大规模制备: 目前,石墨烯-钙钛矿光纤光电探测器的制备工艺比较复杂,难以实现大规模生产。

集成性: 将光纤光电探测器与其他电子器件和纺织品集成,实现更加复杂的功能,还需要进行进一步的研究。


总结

石墨烯-钙钛矿光纤光电探测器有望在可穿戴科技领域掀起新的革命。其优异的性能和良好的稳定性,将为可穿戴电子设备的设计和应用开拓新的可能性,为人们的生活带来更多便利和安全保障。未来,克服现有的挑战,将进一步推动该技术的发展,实现可穿戴科技的广泛应用。

 

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Fig. 7.

(B)光致发光光谱,分析: PVK750 nm处有显著的发光峰,而SLG/PVK的发光强度较低。

(C)光致发光寿命,分析: PVK的光致发光寿命较长,而SLG/PVK的衰减更快。


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Fig. 9.

(a) 光纤PD的光谱噪声功率。纵轴为噪声密度(dBm/Hz),横轴为频率(Hz)。(b) 光纤PD的波长依赖性 𝑅𝑒𝑥𝑡R ext  和吸收率。纵轴左侧为 𝑅𝑒𝑥𝑡R ext A/W),右侧为吸收率,横轴为波长(nm)。


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原文出处: ADVANCED MATERIALS

 

 

 

 

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