Een heterogene fotodetector op basis van vloeibare watermoleculen en de toepassing ervan in een oximeter

In de context van de ontwikkeling van slimme gezondheidszorg richting digitalisering heeft de nieuwe generatie fotodetectoren een breed scala aan toepassingsmogelijkheden en een enorme marktwaarde. De kenmerken van grafeenmateriaal, zoals grote dragermobiliteit, uitstekende optische transparantie en hoge mechanische sterkte, maken het een favoriet voor de ontwikkeling van een nieuwe generatie fotodetectoren.

De meeste fotodetectoren gebruiken vaste halfgeleiders en gebruiken zelden vloeistof als detectie-eenheid, en de traditionele voorbereidingsapparatuur voor heterogene of homogene PN-overgangsfotodetectoren is duur en ingewikkeld, zoals de behoefte aan geavanceerde vacuüm-epitaxieapparatuur zoals metaal-organische chemische dampdepositie (MOCVD) moleculaire bundelepitaxie (MBE), en het groeiproces dat overeenkomt met deze apparaten op halfgeleider-PN-overgangen, heeft een zeer strikte materiaalroostermatch.

De groeiprocessen die met deze apparaten overeenkomen, stellen zeer strenge eisen aan de materiaalroosteraanpassing van halfgeleider-PN-overgangen, wat de keuze beperkt van halfgeleiders die nodig zijn voor de detectie van verschillende lichtbronnen. Bovendien hebben foto-geëxciteerde dragers een aangelegde voorspanning nodig als toegepaste driver om de dragers te verzamelen, wat bovendien de kosten en het energieverbruik van de drivercircuits verhoogt.

Om dit probleem op te lossen, rapporteerde het team van professor Shisheng Lin aan de Zhejiang Universiteit een nieuwe grafeenfotodetector op basis van gepolariseerde vloeistoffen zoals watermoleculen. Nadat de polaire vloeistof in contact is gekomen met de N-type halfgeleider en grafeen, als gevolg van het verschil tussen het Fermi-energieniveau en het chemische potentieel van de polaire vloeistof, zal de polaire vloeistof op het grensvlak gepolariseerd zijn en zal de overeenkomstige lading worden geïnduceerd. op het vast-vloeistof tweefasige grensvlak.

Onder de bestraling van een externe lichtbron wordt een groot aantal gat-elektronenparen gegenereerd in de halfgeleider, en deze fotogegenereerde dragers verzamelen zich aan beide zijden van de polaire vloeistof en voeren een voorbijgaande fotopolarisatiestroom uit.

Onder continue bestraling door een externe lichtbron worden meer polaire vloeistofmoleculen gepolariseerd door de nieuwe fotogegenereerde dragers die aan beide zijden zijn verzameld, wat ervoor zorgt dat de watermoleculen op een ordelijke manier roteren en een stabiele fotopolarisatiestroom genereert, en de toename van de fotopolarisatiestroom wordt verder bereikt door ionische oplossingen te introduceren.

Bovendien stelt het werk een nieuwe apparaatfysica voor op vloeistof gebaseerde fotodetectoren voor, die gebruik maakt van de flexibiliteit en hoge geleidbaarheid van grafeen om een ​​stabiele en uiterst nauwkeurige niet-invasieve menselijke zuurstofmonitoringsfunctie te bereiken op basis van vloeibare fotodetectoren. De resultaten zijn gepubliceerd in Onderzoek als “Zelfgestuurde foto-gepolariseerde watermoleculen getriggerde op grafeen gebaseerde fotodetector.”

Het fysieke raamwerk van dynamische diodes, oorspronkelijk voorgesteld door de groep van prof. Shisheng Lin in 2018 (Authorized National Invention Patent: CN201810739256.2, Authorized US Invention Patent: US Patent 11.522.468), dit keer het oorspronkelijke gebruik van snelle mechanische rotatie van watermoleculen, ontwikkeld zelfaangedreven fotodetectoren die gebruik maken van moleculaire schalen voor op polaire vloeistoffen gebaseerde. Deze fotodetectoren vermijden effectief de noodzaak van roosterafstemming en bereiken goede detectieprestaties van het diepe ultraviolet tot het nabije infrarood.

Vergeleken met de nieuwe fotodetectoren hebben de volledig solid-state apparaten fotogegenereerde dragers die onmiddellijk worden gescheiden door het ingebouwde elektrische veld na de excitatie van invallend licht, en er treedt geen voorbijgaande fotopolarisatiestroom op. En vanwege de verschillende Fermi-energieniveaus en chemische mogelijkheden vertonen Gr/W/N-GaN en Gr/W/P-GaN verschillende directionele fotostroomuitvoer. Onder de excitatie van licht drijft een groot aantal door foto’s gegenereerde dragers naar het grensvlak, waardoor de watermoleculen worden gepolariseerd.

Het gebruik van een zoutoplossing van de polaire vloeistof in plaats van gedeïoniseerd water verbetert de fotostroom verder door de geleidbaarheid van de tussenliggende polaire vloeistof te vergroten. De auteurs onderzochten vervolgens de afhankelijkheid van het apparaat met optisch vermogen en de apparaatruis. De resultaten laten zien dat het apparaat bij lage frequenties wordt gedomineerd door 1/f-ruis, terwijl het apparaat goede fotoconversiestabiliteit en optische vermogensafhankelijkheidskarakteristieken vertoont.

Het huidige werk biedt een mogelijke manier om de beperking van roosteraanpassing van halfgeleiderfotodetectoren met heterojunctie te doorbreken door vrijelijk een geschikte halfgeleider te selecteren in combinatie met een polaire vloeistof volgens de te detecteren golflengte. In dit werk wordt GaAs met breedbandabsorptie geïntegreerd in een fotoconversiemeetapparaat om met succes zichtbare en nabij-infrarode golflengten te detecteren.

De auteurs hebben met succes de AC- en DC-componenten van het signaal geëxtraheerd uit de fotovolumetrische pulsgolf, waarbij de AC-component voornamelijk is afgeleid van het licht dat door de detector wordt geabsorbeerd door het bloed dat door de slagaders stroomt, wat een directe weerspiegeling is van de verandering in de slagaders. diameter van het vat.

Uiteindelijk werd een stabiele niet-invasieve monitoringfunctie voor menselijke oximetrie op basis van polaire moleculaire vloeistofpolarisatiefotodetectoren bereikt, waarbij de hartslag en zuurstofverzadiging respectievelijk 69,7-74,2 slagen per minuut en 93,8-95,6% bereikten, wat zeer dicht bij die van commerciële oximeters ligt. tegelijkertijd.

De huidige studie onthult op vloeistof gebaseerde hoogwaardige UV-fotodetectoren, waarbij het inbrengen van een polaire vloeistof in een PN-overgang een aanhoudende fotopolarisatiestroom kan genereren onder lichte verlichting.

Onder lichte verlichting zullen de door foto’s gegenereerde elektronen en gaten voortdurend naar het grensvlak tussen vaste stoffen en vloeistoffen bewegen vanwege het verschil in chemische potentiëlen van polarisatoren en Fermi-energieniveaus van halfgeleiders, wat een nieuw idee oplevert om het probleem op te lossen dat de detector wordt beperkt door het rooster – bijpassende beperkingen en de willekeurig instelbare detectiegolflengte.

In toekomstig onderzoek zullen de onderzoekers zich concentreren op het ontwerpen van flexibele draagbare apparaten voor gezondheidsmonitoring voor belangrijke toevoegingen. Ze proberen ook de verschillende problemen op te lossen die momenteel de roostermatching van heterojunctiedetectoren beperken en om verschillende kritische informatie te verschaffen voor niet-invasieve gezondheidsbeoordeling van het menselijk lichaam door middel van opto-elektronische bewakingsapparatuur.