自供电环保型量子点光电传感器，可用于可穿戴健康监测
2023-12-14 21:25:50 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究团队现已成功开发出一种不含重金属、基于铜铟硒化物（Cu-In-Se，CISe）环保型量子点的超高性能量子点光电传感器，还将这种在聚合物基柔性衬底上制得的光电传感器与光源相结合，开发出一种可穿戴脉冲传感器。
据麦姆斯咨询介绍，韩国大邱庆北科学技术学院（Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology）能源科学与工程系Ji-woong Yang教授及其团队，成功开发出世界上性能最高的环保型量子点光电传感器，并且，该传感器还不需要任何外部供电。
这项研究成果由大邱庆北科学技术学院与蔚山国立科学技术研究院（UNIST）新材料工程系Moon-kee Choi教授团队及首尔国立大学化学与生物分子工程系Dae-hyeong Kim教授团队联合开发，凭借光伏效应，该环保型量子点光电传感器可以在没有任何外部电源的情况下稳定测量光信号。
联合研究团队还基于这款光电传感器制作了一种可贴附于皮肤的可穿戴超薄脉冲传感器，能够在不同机械形变下稳定地获取脉冲信号。这项研究现已发表于ACS Nano期刊，题为“Ultrathin Self-Powered Heavy-Metal-Free Cu–In–Se Quantum Dot Photodetectors for Wearable Health Monitoring”。
近些年，人口老龄化和新冠疫情的影响，推动了人们对长时间佩戴以获取生物信号的医疗保健监测设备的需求增长。然而，传统硅基光电传感器由于重量大且刚性，长时间佩戴不舒适，限制了它们在可穿戴监测方面的实际应用。另外，它们还无法与皮肤保持紧密接触，因而也不能准确地获取生物特征信号。
本研究超薄Cu−In−Se量子点（QD）光电探测器（PD）示意图及相关表征
今年的诺贝尔化学奖授予了三位发现并开发量子点的科学家，量子点也被称为纳米科学的种子。量子点是一种超微半导体颗粒，尺寸只有数纳米（nm）大小，相比传统半导体材料更好的光学和电学性能，使其能够快速分离电子和空穴。
量子点用于光电传感器具有响应速度快的优点，因此基于量子点的光电传感器获得了广泛研究。不过，大部分现有量子点光电传感器的厚度都超过数微米，而且大多使用了有毒重金属材料，如硫化铅（PbS）。因此，这些量子点材料在实践中还无法应用于可穿戴光电传感器。
该联合研究团队现已成功开发出一种不含重金属、基于铜铟硒化物（Cu-In-Se，CISe）环保型量子点的超高性能量子点光电传感器。此前，人们普遍认为，基于环保型量子点的光电传感器性能较差。尽管如此，该联合研究团队通过控制量子点的尺寸和组成，改善了环保型量子点的电学性能，开发了一种适合量子点的新型有机-无机混合电荷转移层，构建了一种性能超越现有的有毒量子点光电传感器的环保型量子点光电传感器。
超薄Cu-In-Se量子点光电传感器
联合研究团队开发的环保型量子点光电传感器的量子点吸收层约40 nm厚，但也显示出出色的器件性能（比探测率：2.10 x 10¹² Jones，线性动态范围：102 dB，零偏压下的光谱范围：250-1050 nm）。这主要归功于材料和器件设计策略，材料包括Cu-In-Se量子点、MoS₂纳米片混合的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）空穴传输层、ZnO纳米颗粒电子传输层、Ag和ITO电极，以及超薄的外形（除电极外约120 nm），可实现出色的机械形变能力。此外，它在没有外部电源的情况下也表现出良好的光检测性能。这两个特性对于可穿戴光电传感器应用来说是巨大优势。
此外，联合研究团队还将这种在聚合物基柔性衬底上制得的光电传感器与光源相结合，开发出一种可穿戴脉冲传感器。该传感器具有柔性，即使在0.5 mm的曲率半径下也能稳定地工作，因此，在附着人体之后，即使面对步行和跑步等运动情况也能稳定地测量脉冲。
Ji-woong Yang教授说：“通过控制这种环保型量子点的结构，开发针对量子点优化的电荷转移层，我们能够制造出高性能的环保型量子点光电传感器。”
UNIST教授Moon-kee Choi表示：“我们能够基于环保型量子点光电传感器制造出一种具有高度柔性的超薄脉冲传感器，并且还不需要外部供电。它有望用于各种下一代光电传感应用，例如激光雷达和红外相机，以及可穿戴医疗保健监测系统等。”
论文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c05178
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