Dans le contexte du développement des soins de santé intelligents vers la numérisation, la nouvelle génération de photodétecteurs présente un large éventail de perspectives d'application et une valeur marchande énorme. Les caractéristiques du matériau graphène, telles qu'une grande mobilité des porteurs, une excellente transparence optique et une résistance mécanique élevée, en font un favori pour le développement de photodétecteurs de nouvelle génération.
La plupart des photodétecteurs utilisent des semi-conducteurs solides et utilisent rarement un liquide comme unité de détection, et l'équipement traditionnel de préparation de photodétecteurs à jonction PN hétérogène ou homogène est coûteux et compliqué, comme la nécessité d'un équipement d'épitaxie sous vide avancé tel que le dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD) , l'épitaxie par jet moléculaire (MBE), et le processus de croissance correspondant à ces dispositifs sur une jonction PN semi-conductrice présente une correspondance de réseau de matériaux très stricte.
Les processus de croissance correspondant à ces dispositifs ont des exigences très strictes sur l'adaptation du réseau des matériaux des jonctions PN des semi-conducteurs, ce qui limite le choix des semi-conducteurs nécessaires à la détection des différentes sources lumineuses. De plus, les porteurs photo-excités nécessitent une tension de polarisation appliquée comme pilote appliqué pour collecter les porteurs, ce qui augmente encore le coût et la consommation d'énergie des circuits de commande.
Pour résoudre ce problème, l'équipe du professeur Shisheng Lin de l'Université du Zhejiang a rapporté un nouveau photodétecteur au graphène basé sur des liquides polarisés tels que des molécules d'eau. Une fois que le liquide polaire est en contact avec le semi-conducteur de type N et le graphène, en raison de la différence entre le niveau d'énergie de Fermi et le potentiel chimique du liquide polaire, le liquide polaire à l'interface sera polarisé et la charge correspondante sera induite. à l'interface biphasique solide-liquide.
Sous l'irradiation d'une source de lumière externe, un grand nombre de paires trou-électron sont générées dans le semi-conducteur, et ces porteurs photogénérés se rassemblent des deux côtés du liquide polaire et émettent un courant de photopolarisation transitoire.
Sous irradiation continue d'une source de lumière externe, des molécules liquides plus polaires sont polarisées par les nouveaux porteurs photogénérés rassemblés des deux côtés, ce qui induit la rotation ordonnée des molécules d'eau et génère un courant de photopolarisation stable, ainsi qu'une augmentation du courant de photopolarisation. est en outre obtenu en introduisant des solutions ioniques.
De plus, les travaux proposent une nouvelle physique de dispositif pour les photodétecteurs à base de liquide, qui utilise la flexibilité et la conductivité élevée du graphène pour obtenir une fonction de surveillance de l'oxygène humain non invasive, stable et de haute précision, basée sur des photodétecteurs liquides. Les résultats ont été publiés dans Research comme "Photodétecteur à base de graphène déclenché par une molécule d'eau photopolarisée auto-pilotée."
Le cadre physique de la diode dynamique initialement proposé par le groupe du professeur Shisheng Lin en 2018 (brevet d'invention national autorisé :CN201810739256.2, brevet d'invention américain autorisé :brevet américain 11 522 468), cette fois l'utilisation originale de la rotation mécanique rapide des molécules d'eau, développée photodétecteurs autonomes utilisant des échelles moléculaires pour les liquides polaires. Ces photodétecteurs évitent efficacement la nécessité d'une correspondance de réseau et obtiennent de bonnes performances de détection de l'ultraviolet profond au proche infrarouge.
Par rapport aux nouveaux photodétecteurs, les dispositifs entièrement à l'état solide ont des porteurs photogénérés instantanément séparés par le champ électrique intégré après l'excitation de la lumière incidente, et aucun courant de photopolarisation transitoire ne se produit. Et en raison des différents niveaux d'énergie de Fermi et potentiels chimiques, Gr/W/N-GaN et Gr/W/P-GaN présentent des sorties de photocourant directionnelles différentes. Sous l'excitation de la lumière, un grand nombre de porteurs photogénérés dérivent vers l'interface, polarisant les molécules d'eau.
L'utilisation d'une solution saline du liquide polaire au lieu d'eau déminéralisée améliore encore le photocourant en augmentant la conductivité du liquide polaire intermédiaire. Les auteurs ont ensuite étudié la dépendance du dispositif à la puissance optique et au bruit du dispositif. Les résultats montrent qu'aux basses fréquences, le dispositif est dominé par le bruit 1/f, tandis que le dispositif présente de bonnes caractéristiques de stabilité de photoconversion et de dépendance à la puissance optique.
Le présent travail fournit un moyen potentiel de dépasser les limites de l'adaptation de réseau des photodétecteurs à semi-conducteur à hétérojonction en sélectionnant librement un semi-conducteur approprié en combinaison avec un liquide polaire en fonction de la longueur d'onde à détecter. Dans ce travail, GaAs avec absorption à large bande est intégré dans un dispositif de mesure de photoconversion pour détecter avec succès les longueurs d'onde visibles et proches de l'infrarouge.
Les auteurs ont réussi à extraire les composantes AC et DC du signal de l'onde de pouls photovolumétrique, où la composante AC est principalement dérivée de la lumière absorbée par le détecteur à travers le sang circulant dans les artères, ce qui reflète directement le changement de diamètre du vaisseau.
Une fonction stable de surveillance de l'oxymétrie humaine non invasive basée sur des photodétecteurs à polarisation liquide moléculaire polaire a finalement été obtenue, avec une fréquence cardiaque et une saturation en oxygène obtenues à 69,7-74,2 battements par minute et 93,8-95,6 %, respectivement, très proches de celles obtenues par les oxymètres commerciaux. en même temps.
La présente étude révèle des photodétecteurs UV haute performance à base de liquide, où l'insertion d'un liquide polaire dans une jonction PN peut générer un courant de photopolarisation persistant sous un éclairage lumineux.
Sous un éclairage lumineux, les électrons et les trous photogénérés se déplaceront continuellement vers l'interface solide-liquide en raison de la différence de potentiel chimique des polariseurs et des niveaux d'énergie de Fermi des semi-conducteurs, ce qui fournit une nouvelle idée pour résoudre le problème du détecteur limité par le réseau. -contraintes de correspondance et longueur d'onde de détection arbitrairement réglable.
Dans les recherches futures, les chercheurs se concentreront sur la conception de dispositifs portables et flexibles de surveillance de la santé pour des ajouts importants. Ils cherchent également à résoudre les divers problèmes limitant actuellement l'appariement de réseau des détecteurs à hétérojonction et à fournir diverses informations critiques pour une évaluation non invasive de la santé du corps humain grâce à des dispositifs de surveillance optoélectroniques.
Plus d'informations : Shisheng Lin et al, Photodétecteur à base de graphène photo-polarisé et déclenché par des molécules d'eau, Recherche (2023). DOI :10.34133/research.0202
Informations sur le journal : Recherche
Fourni par Recherche
