En el contexto del desarrollo de la atención sanitaria inteligente hacia la digitalización, la nueva generación de fotodetectores tiene una amplia gama de perspectivas de aplicación y un enorme valor de mercado. Las características del material de grafeno, como la gran movilidad del portador, la excelente transparencia óptica y la alta resistencia mecánica, lo convierten en uno de los favoritos para el desarrollo de fotodetectores de nueva generación.
La mayoría de los fotodetectores utilizan semiconductores sólidos y rara vez utilizan líquido como unidad de detección, y el equipo tradicional de preparación de fotodetectores de unión PN heterogéneos u homogéneos es costoso y complicado, como la necesidad de equipos avanzados de epitaxia al vacío, como la deposición química de vapor metal-orgánico (MOCVD). , epitaxia de haz molecular (MBE) y el proceso de crecimiento correspondiente a estos dispositivos en la unión PN del semiconductor tiene una coincidencia de red de material muy estricta.
Los procesos de crecimiento correspondientes a estos dispositivos tienen requisitos muy estrictos en cuanto a la adaptación de la red de materiales de las uniones PN de semiconductores, lo que limita la elección de los semiconductores necesarios para la detección de diferentes fuentes de luz. Además, los portadores fotoexcitados requieren un voltaje de polarización aplicado como controlador aplicado para recolectar los portadores, lo que aumenta adicionalmente el costo y el consumo de energía de los circuitos del controlador.
Para resolver este problema, el equipo del profesor Shisheng Lin de la Universidad de Zhejiang desarrolló un novedoso fotodetector de grafeno basado en líquidos polarizados como las moléculas de agua. Después de que el líquido polar esté en contacto con el semiconductor tipo N y el grafeno, debido a la diferencia entre el nivel de energía de Fermi y el potencial químico del líquido polar, el líquido polar en la interfaz se polarizará y se inducirá la carga correspondiente. en la interfaz bifásica sólido-líquido.
Bajo la irradiación de una fuente de luz externa, se genera una gran cantidad de pares hueco-electrón en el semiconductor, y estos portadores fotogenerados se reúnen en ambos lados del líquido polar y generan una corriente de fotopolarización transitoria.
Bajo la irradiación continua de una fuente de luz externa, más moléculas líquidas polares son polarizadas por los nuevos portadores fotogenerados reunidos en ambos lados, lo que induce a las moléculas de agua a girar de manera ordenada y genera una corriente de fotopolarización estable, y el aumento de la corriente de fotopolarización. se logra aún más mediante la introducción de soluciones iónicas.
Además, el trabajo propone un dispositivo físico novedoso para fotodetectores de base líquida, que utiliza la flexibilidad y la alta conductividad del grafeno para lograr una función de monitoreo de oxígeno humano no invasiva, estable y de alta precisión basada en fotodetectores líquidos. Los resultados fueron publicados en Research como "Fotodetector basado en grafeno activado por molécula de agua fotopolarizada autoimpulsada".
El marco físico del diodo dinámico propuesto originalmente por el grupo del Prof. Shisheng Lin en 2018 (Patente de invención nacional autorizada:CN201810739256.2, Patente de invención autorizada de EE. UU.:Patente de EE. UU. 11,522,468), esta vez se desarrolló el uso original de la rotación mecánica rápida de moléculas de agua. Fotodetectores autopropulsados que utilizan escalas moleculares para líquidos polares. Estos fotodetectores evitan eficazmente la necesidad de hacer coincidir la red y logran un buen rendimiento de detección desde el ultravioleta profundo hasta el infrarrojo cercano.
En comparación con los nuevos fotodetectores, los dispositivos totalmente de estado sólido tienen portadores fotogenerados separados instantáneamente por el campo eléctrico incorporado después de la excitación de la luz incidente, y no se produce ninguna corriente de fotopolarización transitoria. Y debido a los diferentes niveles de energía y potenciales químicos de Fermi, Gr/W/N-GaN y Gr/W/P-GaN exhiben diferentes salidas de fotocorriente direccionales. Bajo la excitación de la luz, una gran cantidad de portadores fotogenerados se desplazan hacia la interfaz, polarizando las moléculas de agua.
La utilización de una solución salina del líquido polar en lugar de agua desionizada mejora aún más la fotocorriente al aumentar la conductividad del líquido polar intermedio. A continuación, los autores investigaron la dependencia del dispositivo con la potencia óptica y el ruido del dispositivo. Los resultados muestran que a bajas frecuencias el dispositivo está dominado por el ruido 1/f, mientras que el dispositivo exhibe buenas características de estabilidad de fotoconversión y dependencia de la potencia óptica.
El presente trabajo proporciona una forma potencial de superar la limitación de la adaptación reticular de fotodetectores semiconductores de heterounión seleccionando libremente un semiconductor adecuado en combinación con un líquido polar de acuerdo con la longitud de onda a detectar. En este trabajo, GaAs con absorción de banda ancha se integra en un dispositivo de medición de fotoconversión para detectar con éxito longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas.
Los autores han extraído con éxito los componentes CA y CC de la señal de la onda de pulso fotovolumétrica, donde el componente CA se deriva principalmente de la luz absorbida por el detector a través de la sangre que fluye por las arterias, que es un reflejo directo del cambio en diámetro del vaso.
Finalmente se logró una función estable de monitoreo de oximetría humana no invasiva basada en fotodetectores de polarización de líquidos moleculares polares, con frecuencia cardíaca y saturación de oxígeno obtenidas en 69,7-74,2 latidos por minuto y 93,8-95,6%, respectivamente, que están muy cerca de las obtenidas por los oxímetros comerciales. al mismo tiempo.
El presente estudio revela fotodetectores UV de alto rendimiento a base de líquido, donde la inserción de un líquido polar en una unión PN puede generar una corriente de fotopolarización persistente bajo iluminación luminosa.
Bajo iluminación luminosa, los electrones y huecos fotogenerados se moverán continuamente hacia la interfaz sólido-líquido debido a la diferencia en los potenciales químicos de los polarizadores y los niveles de energía de Fermi del semiconductor, lo que proporciona una nueva idea para resolver el problema de que el detector esté limitado por la red. -Restricciones de coincidencia y longitud de onda de detección ajustable arbitrariamente.
En investigaciones futuras, los investigadores se centrarán en diseñar dispositivos portátiles flexibles de control de la salud para adiciones importantes. También buscan resolver los diversos problemas que actualmente limitan la combinación de redes de detectores de heterounión y proporcionar información crítica para la evaluación no invasiva de la salud del cuerpo humano a través de dispositivos de monitoreo optoelectrónicos.
Más información: Shisheng Lin et al, Fotodetector basado en grafeno activado por moléculas de agua fotopolarizadas y autoimpulsadas, Investigación (2023). DOI:10.34133/investigación.0202
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