Um termômetro optoeletrônico baseado em dispositivos de conversão de infravermelho para visível em microescala

(a) Diagrama de circuito e (b) Imagem microscópica eletrônica de varredura (SEM) do projeto de conversão optoeletrônica, incluindo um LED vermelho InGaP e um fotodiodo de junção dupla GaAs com conexão serial. (c) Diagrama esquemático do dispositivo de conversão ascendente para detecção de temperatura. Crédito:He Ding, Guoqing Lv, Xue Cai, Junyu Chen, Ziyi Cheng, Yanxiu Peng, Guo Tang, Zhao Shi, Yang Xie, Xin Fu, Lan Yin, Jian Yang, Yongtian Wang, Xing Sheng

A detecção de temperatura com resolução espacial e temporal de alta precisão é crítica e tem amplas aplicações em diversos campos, como fabricação industrial, proteção ambiental e monitoramento de saúde. Sensores de base óptica oferecem soluções atraentes para monitoramento de temperatura em diagnósticos biomédicos, devido às suas vantagens de detecção remota, intrusão mínima, imunidade a interferência eletromagnética e alta resolução. Essas modalidades de detecção óptica podem ser baseadas na intensidade luminosa, comprimento de onda, largura de pico e/ou tempo de vida de decaimento. O mecanismo de upconversion mitiga a autofluorescência biológica, facilita a penetração nos tecidos e produz sinais de luz visível convenientemente visualizados e facilmente capturados, apresentando um método mais adequado para detecção em sistemas biológicos
Em um novo artigo publicado em Light Science &Application , uma equipe de cientistas, liderada pelo Dr. He Ding da Escola de Óptica e Fotônica do Instituto de Tecnologia de Pequim, Prof. Xing Sheng do Departamento de Engenharia Eletrônica da Universidade de Tsinghua e colaboradores desenvolveram um NIR optoeletrônico para visibilidade dispositivo de upconversion baseado em heteroestruturas semicondutoras projetadas, exibindo uma resposta linear, dinâmica rápida e baixo poder de excitação. As características de fotoluminescência dependentes da temperatura do dispositivo de upconversion optoeletrônico são sistematicamente investigadas e sua capacidade de detecção térmica é demonstrada.

A estratégia de sensoriamento de temperatura proposta é baseada em um dispositivo de upconversion optoeletrônico totalmente integrado que consiste em um fotodiodo de junção dupla baseado em arseneto de gálio (GaAs) de baixo intervalo de banda e um diodo emissor de luz (LED) baseado em fosforeto de índio e gálio (InGaP) de grande intervalo de banda. ligados em série. Conforme demonstrado anteriormente, os dispositivos de microescala definidos litograficamente e liberados epitaxialmente (tamanho ~300×300 μm² ) realizam uma conversão ascendente eficiente de NIR para visível com uma resposta linear e dinâmica ultrarrápida.

(a) Espectro da excitação e da emissão de fotoluminescência (PL) convertida em temperaturas variadas (25–90 ºC). (b) Comprimento de onda de pico calculado (linha tracejada) e medido (pontos) e intensidade PL da emissão vermelha convertida em função da temperatura, e a faixa sombreada representa o desvio padrão medido entre 10 amostras. Crédito:He Ding, Guoqing Lv, Xue Cai, Junyu Chen, Ziyi Cheng, Yanxiu Peng, Guo Tang, Zhao Shi, Yang Xie, Xin Fu, Lan Yin, Jian Yang, Yongtian Wang, Xing Sheng

Sob excitação de luz infravermelha próxima na faixa de comprimento de onda de 770-830 nm, a emissão vermelha do dispositivo de conversão optoeletrônica é acompanhada por uma diminuição da intensidade e um desvio para o vermelho do pico de emissão de 625 nm para 637 nm com o aumento da temperatura. Com base em fatores sinérgicos atribuídos às características dos materiais e ao projeto da estrutura, uma sensibilidade intensidade-temperatura de ~1,5% °C^-1 e uma sensibilidade à temperatura do espectro de ~0,18 nm °C^-1 são alcançados.

Com um termômetro óptico de conversão optoeletrônica tão robusto, os cientistas propõem várias aplicações:

"Através de um conjunto de dispositivos de conversão ascendente optoeletrônicos de grande área, podemos realizar sensoriamento térmico resolvido espacialmente. Por exemplo, usamos pistolas de ar para gerar fluxo de ar quente que sopra na amostra, perturba e, eventualmente, extingue a emissão de conversão ascendente. De acordo com a relação entre intensidade de emissão e temperatura, podemos obter a distribuição espacial e as mudanças de temperatura em tempo real", disse He Ding, do Instituto de Tecnologia de Pequim.

(a) Respostas PL espacialmente resolvidas de um arranjo de dispositivos sob aquecimento não uniforme (esquerda) e o mapeamento de temperatura correspondente (direita). (b) Esquerda:Fotografia da detecção da temperatura expiratória com o sensor de fibra. Direita:Sinais dinâmicos de temperatura durante atividades de expiração cíclicas obtidos pelo sensor de fibra com base nas mudanças de comprimento de onda do pico de emissão e nas mudanças de intensidade de PL, comparados com os resultados registrados simultaneamente pelo termopar. As regiões cinzentas representam ações de expiração. (c) Esquerda:Fotografia de um rato se comportando com um sensor de fibra e um termopar implantado no cérebro para detecção de temperatura. Direita:Sinais de temperatura dinâmicos obtidos no cérebro do camundongo pelo sensor de fibra com base nas mudanças de comprimento de onda do pico de emissão e nas mudanças de intensidade de PL, em comparação com os resultados registrados simultaneamente pelo termopar. A região sombreada em cinza representa o período de tempo em que o mouse é colocado em um ambiente quente em torno de 40 ºC. Crédito:He Ding, Guoqing Lv, Xue Cai, Junyu Chen, Ziyi Cheng, Yanxiu Peng, Guo Tang, Zhao Shi, Yang Xie, Xin Fu, Lan Yin, Jian Yang, Yongtian Wang, Xing Sheng

"O dispositivo de upconversion pode ser liberado do substrato cultivado e ainda integrado com fibra óptica para formar sensores térmicos guiados por luz. Complementar com sensores elétricos conectados, essa técnica baseada em óptica é mais adequada para uso em ambientes com fortes interferências eletromagnéticas e em particular, capaz de obter sinais durante a ressonância magnética (MRI). Tal sistema portátil acoplado a fibra pode ser convenientemente aplicado para aplicações biomédicas, por exemplo, monitorando o comportamento de expiração fechado para a boca do tecido humano e profundo com o implante no cérebro do rato, como uma demonstração de prova de conceito", disse Xing Sheng, da Universidade de Tsinghua.

"Os sensores implantáveis compatíveis com MRI combinados com fibra ótica oferecem pesquisa e significado clínico, com potencial para monitoramento de temperatura localizada no corpo profundo. Esses materiais e conceitos de dispositivos estabelecem um conjunto de ferramentas elétricas com vastas aplicações no meio ambiente e na saúde, " Xing Sheng concluiu. + Explorar mais