No contexto do desenvolvimento de cuidados de saúde inteligentes rumo à digitalização, a nova geração de fotodetectores tem uma ampla gama de perspectivas de aplicação e um enorme valor de mercado. As características do material grafeno, como grande mobilidade de portadores, excelente transparência óptica e alta resistência mecânica, tornam-no um favorito para o desenvolvimento de fotodetectores de nova geração.



A maioria dos fotodetectores usa semicondutores sólidos e raramente usa líquido como unidade de detecção, e o equipamento tradicional de preparação de fotodetectores de junção PN heterogêneo ou homogêneo é caro e complicado, como a necessidade de equipamentos avançados de epitaxia a vácuo, como deposição de vapor químico metal-orgânico (MOCVD) , epitaxia por feixe molecular (MBE), e o processo de crescimento correspondente a esses dispositivos na junção PN semicondutora tem uma correspondência de rede de material muito estrita.

Os processos de crescimento correspondentes a estes dispositivos têm requisitos muito rigorosos na correspondência da rede de material das junções PN semicondutoras, o que limita a escolha dos semicondutores necessários para a detecção de diferentes fontes de luz. Além disso, as portadoras fotoexcitadas requerem uma tensão de polarização aplicada como um acionador aplicado para coletar as portadoras, o que aumenta adicionalmente o custo e o consumo de energia dos circuitos acionadores.

Para resolver este problema, a equipe do professor Shisheng Lin da Universidade de Zhejiang relatou um novo fotodetector de grafeno baseado em líquidos polarizados, como moléculas de água. Após o líquido polar entrar em contato com o semicondutor tipo N e o grafeno, devido à diferença entre o nível de energia de Fermi e o potencial químico do líquido polar, o líquido polar na interface será polarizado e a carga correspondente será induzida na interface bifásica sólido-líquido.

Sob a irradiação de uma fonte de luz externa, um grande número de pares de elétrons-buraco são gerados no semicondutor, e esses portadores fotogerados se reúnem em ambos os lados do líquido polar e emitem uma corrente de fotopolarização transitória.

Sob irradiação contínua de uma fonte de luz externa, mais moléculas líquidas polares são polarizadas pelos novos portadores fotogerados reunidos em ambos os lados, o que induz as moléculas de água a girar de maneira ordenada e gera uma corrente de fotopolarização estável, e o aumento da corrente de fotopolarização é ainda alcançado pela introdução de soluções iônicas.

Além disso, o trabalho propõe uma nova física de dispositivos para fotodetectores de base líquida, que utiliza a flexibilidade e alta condutividade do grafeno para alcançar uma função de monitoramento de oxigênio humano não invasiva estável e de alta precisão baseada em fotodetectores líquidos. Os resultados foram publicados em Research como "Fotodetector baseado em grafeno acionado por molécula de água fotopolarizada auto-dirigida."

A estrutura física do diodo dinâmico originalmente proposta pelo grupo do Prof. Shisheng Lin em 2018 (Patente de Invenção Nacional Autorizada:CN201810739256.2, Patente de Invenção Autorizada nos EUA:Patente dos EUA 11.522.468), desta vez o uso original de rotação mecânica rápida de moléculas de água, desenvolvida fotodetectores autoacionados usando escalas moleculares para base líquida polar. Esses fotodetectores evitam efetivamente a necessidade de correspondência de rede e alcançam um bom desempenho de detecção desde o ultravioleta profundo até o infravermelho próximo.

Em comparação com os novos fotodetectores, os dispositivos totalmente de estado sólido possuem portadores fotogerados instantaneamente separados pelo campo elétrico incorporado após a excitação da luz incidente, e nenhuma corrente de fotopolarização transitória ocorre. E devido aos diferentes níveis de energia e potenciais químicos de Fermi, Gr/W/N-GaN e Gr/W/P-GaN exibem diferentes saídas de fotocorrente direcionais. Sob a excitação da luz, um grande número de portadores fotogerados deriva em direção à interface, polarizando as moléculas de água.

A utilização de uma solução salina do líquido polar em vez de água deionizada melhora ainda mais a fotocorrente, aumentando a condutividade do líquido polar intermediário. Em seguida, os autores investigaram a dependência do dispositivo com a potência óptica e o ruído do dispositivo. Os resultados mostram que em baixas frequências o dispositivo é dominado pelo ruído 1/f, enquanto o dispositivo apresenta boa estabilidade de fotoconversão e características de dependência de potência óptica.

O presente trabalho fornece uma maneira potencial de romper a limitação do casamento de rede de fotodetectores semicondutores de heterojunção, selecionando livremente um semicondutor adequado em combinação com um líquido polar de acordo com o comprimento de onda a ser detectado. Neste trabalho, GaAs com absorção de banda larga é integrado a um dispositivo de medição de fotoconversão para detectar com sucesso comprimentos de onda visíveis e infravermelhos próximos.

Os autores extraíram com sucesso os componentes AC e DC do sinal da onda de pulso fotovolumétrica, onde o componente AC é derivado principalmente da luz absorvida pelo detector através do sangue que flui através das artérias, que é um reflexo direto da mudança em diâmetro do vaso.

Uma função estável de monitoramento de oximetria humana não invasiva baseada em fotodetectores de polarização líquida molecular polar foi finalmente alcançada, com frequência cardíaca e saturação de oxigênio obtidas em 69,7-74,2 batimentos por minuto e 93,8-95,6%, respectivamente, muito próximas daquelas obtidas por oxímetros comerciais ao mesmo tempo.

O presente estudo revela fotodetectores UV de alto desempenho à base de líquido, onde a inserção de um líquido polar em uma junção PN pode gerar uma corrente de fotopolarização persistente sob iluminação luminosa.

Sob iluminação luminosa, os elétrons e buracos fotogerados se moverão continuamente em direção à interface sólido-líquido devido à diferença nos potenciais químicos dos polarizadores e dos níveis de energia Fermi do semicondutor, o que fornece uma nova ideia para resolver o problema do detector ser limitado pela rede. - restrições de correspondência e comprimento de onda de detecção arbitrariamente ajustável.

Em pesquisas futuras, os pesquisadores se concentrarão no projeto de dispositivos flexíveis de monitoramento de saúde vestíveis para acréscimos importantes. Eles também procuram resolver os vários problemas que atualmente limitam a correspondência de rede de detectores de heterojunção e fornecer diversas informações críticas para a avaliação não invasiva da saúde do corpo humano através de dispositivos de monitoramento optoeletrônicos.

Mais informações: Shisheng Lin et al, Fotodetector baseado em grafeno acionado por molécula de água fotopolarizada autodirigida, Pesquisa (2023). DOI:10.34133/pesquisa.0202
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