據(jù)麥姆斯咨詢介紹，韓國大邱慶北科學(xué)技術(shù)學(xué)院（Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology）能源科學(xué)與工程系Ji-woong Yang教授及其團(tuán)隊(duì)，成功開發(fā)出世界上性能最高的環(huán)保型量子點(diǎn)光電傳感器，并且，該傳感器還不需要任何外部供電。

這項(xiàng)研究成果由大邱慶北科學(xué)技術(shù)學(xué)院與蔚山國立科學(xué)技術(shù)研究院（UNIST）新材料工程系Moon-kee Choi教授團(tuán)隊(duì)及首爾國立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系Dae-hyeong Kim教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開發(fā)，憑借光伏效應(yīng)，該環(huán)保型量子點(diǎn)光電傳感器可以在沒有任何外部電源的情況下穩(wěn)定測(cè)量光信號(hào)。

聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)還基于這款光電傳感器制作了一種可貼附于皮膚的可穿戴超薄脈沖傳感器，能夠在不同機(jī)械形變下穩(wěn)定地獲取脈沖信號(hào)。這項(xiàng)研究現(xiàn)已發(fā)表于ACS Nano期刊，題為“Ultrathin Self-Powered Heavy-Metal-Free Cu–In–Se Quantum Dot Photodetectors for Wearable Health Monitoring”。

近些年，人口老齡化和新冠疫情的影響，推動(dòng)了人們對(duì)長時(shí)間佩戴以獲取生物信號(hào)的醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)設(shè)備的需求增長。然而，傳統(tǒng)硅基光電傳感器由于重量大且剛性，長時(shí)間佩戴不舒適，限制了它們?cè)诳纱┐鞅O(jiān)測(cè)方面的實(shí)際應(yīng)用。另外，它們還無法與皮膚保持緊密接觸，因而也不能準(zhǔn)確地獲取生物特征信號(hào)。

本研究超薄Cu?In?Se量子點(diǎn)（QD）光電探測(cè)器（PD）示意圖及相關(guān)表征

今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了三位發(fā)現(xiàn)并開發(fā)量子點(diǎn)的科學(xué)家，量子點(diǎn)也被稱為納米科學(xué)的種子。量子點(diǎn)是一種超微半導(dǎo)體顆粒，尺寸只有數(shù)納米（nm）大小，相比傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料更好的光學(xué)和電學(xué)性能，使其能夠快速分離電子和空穴。

量子點(diǎn)用于光電傳感器具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，因此基于量子點(diǎn)的光電傳感器獲得了廣泛研究。不過，大部分現(xiàn)有量子點(diǎn)光電傳感器的厚度都超過數(shù)微米，而且大多使用了有毒重金屬材料，如硫化鉛（PbS）。因此，這些量子點(diǎn)材料在實(shí)踐中還無法應(yīng)用于可穿戴光電傳感器。

該聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已成功開發(fā)出一種不含重金屬、基于銅銦硒化物（Cu-In-Se，CISe）環(huán)保型量子點(diǎn)的超高性能量子點(diǎn)光電傳感器。此前，人們普遍認(rèn)為，基于環(huán)保型量子點(diǎn)的光電傳感器性能較差。盡管如此，該聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)通過控制量子點(diǎn)的尺寸和組成，改善了環(huán)保型量子點(diǎn)的電學(xué)性能，開發(fā)了一種適合量子點(diǎn)的新型有機(jī)-無機(jī)混合電荷轉(zhuǎn)移層，構(gòu)建了一種性能超越現(xiàn)有的有毒量子點(diǎn)光電傳感器的環(huán)保型量子點(diǎn)光電傳感器。

超薄Cu-In-Se量子點(diǎn)光電傳感器

聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的環(huán)保型量子點(diǎn)光電傳感器的量子點(diǎn)吸收層約40 nm厚，但也顯示出出色的器件性能（比探測(cè)率：2.10 x 1012 Jones，線性動(dòng)態(tài)范圍：102 dB，零偏壓下的光譜范圍：250-1050 nm）。這主要?dú)w功于材料和器件設(shè)計(jì)策略，材料包括Cu-In-Se量子點(diǎn)、MoS?納米片混合的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）空穴傳輸層、ZnO納米顆粒電子傳輸層、Ag和ITO電極，以及超薄的外形（除電極外約120 nm），可實(shí)現(xiàn)出色的機(jī)械形變能力。此外，它在沒有外部電源的情況下也表現(xiàn)出良好的光檢測(cè)性能。這兩個(gè)特性對(duì)于可穿戴光電傳感器應(yīng)用來說是巨大優(yōu)勢(shì)。

此外，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)還將這種在聚合物基柔性襯底上制得的光電傳感器與光源相結(jié)合，開發(fā)出一種可穿戴脈沖傳感器。該傳感器具有柔性，即使在0.5 mm的曲率半徑下也能穩(wěn)定地工作，因此，在附著人體之后，即使面對(duì)步行和跑步等運(yùn)動(dòng)情況也能穩(wěn)定地測(cè)量脈沖。

Ji-woong Yang教授說：“通過控制這種環(huán)保型量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，開發(fā)針對(duì)量子點(diǎn)優(yōu)化的電荷轉(zhuǎn)移層，我們能夠制造出高性能的環(huán)保型量子點(diǎn)光電傳感器。”

UNIST教授Moon-kee Choi表示：“我們能夠基于環(huán)保型量子點(diǎn)光電傳感器制造出一種具有高度柔性的超薄脈沖傳感器，并且還不需要外部供電。它有望用于各種下一代光電傳感應(yīng)用，例如激光雷達(dá)和紅外相機(jī)，以及可穿戴醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等?！?/p>

審核編輯：劉清