Высокопроизводительный квантово-точечный фотосенсор не требует внешнего источника питания

Профессор Чжи-Вун Ян из Департамента энергетической науки и инженерии Института науки и технологий Тэгу Кёнбук успешно разработал самый высокопроизводительный в мире экологичный квантово-точечный фотосенсор, не требующий внешнего источника питания.

Было подтверждено, что экологичный квантово-точечный фотонный сенсор, разработанный совместно с исследовательской группой профессора Мун-Ки Чоя из Департамента инженерии новых материалов Национального института науки и технологий Ульсана (UNIST) и группой профессора Дэ-Хёна Кима из Департамента химической и биомолекулярной инженерии Сеульского национального университета, может стабильно измерять световые сигналы без внешнего источника питания благодаря фотогальваническому эффекту.

Совместная исследовательская группа также создала прикрепляемый к коже сверхтонкий пульсометр на основе этого фотосенсора и представила носимый датчик пульса, который может стабильно считывать сигналы пульса, несмотря на различные деформации. Работа опубликована в журнале ACS Nano.

В последние годы старение населения и пандемия COVID-19 привели к растущему спросу на устройства для мониторинга здоровья, которые можно прикреплять к телу на длительное время для сбора биометрических сигналов. Однако традиционные кремниевые фотосенсоры на практике используются редко, поскольку они тяжелые и жесткие, что делает их неудобными для длительного ношения. Они также не могут точно считывать биометрические сигналы, поскольку не могут плотно прилегать к коже.

Нобелевская премия по химии этого года была присуждена трем ученым, открывшим и разработавшим квантовые точки, также известные как семена нанонауки. Квантовые точки — это ультратонкие полупроводниковые частицы размером всего в несколько нанометров (нм, одна миллиардная метра). Их оптические и электрические свойства лучше, чем у традиционных полупроводниковых материалов, что позволяет им быстро разделять электроны и электронные дырки.

Поскольку квантовые точки обладают преимуществом быстрого времени отклика при использовании в качестве фотосенсора, исследования фотосенсоров на их основе широко проводились. Однако большинство существующих квантово-точечных фотосенсоров имеют толщину более нескольких микрометров, и в большинстве исследований используются квантовые точки, содержащие токсичные тяжелые металлы, такие как сульфид свинца (PbS). Следовательно, на практике их нельзя использовать для носимых фотосенсоров.

Исследовательская группа успешно разработала сверхвысокопроизводительный квантово-точечный фотосенсор на основе экологичных квантовых точек селенида меди-индия (Cu-In-Se), не содержащих тяжелых металлов. Ранее общепринятым было мнение, что фотосенсоры на основе экологичных квантовых точек имеют низкую производительность. Тем не менее, команда улучшила электрические свойства экологичных точек, контролируя их размер и состав, разработала новый гибридный органическо-неорганический слой переноса заряда, подходящий для этих точек, и создала экологичный квантово-точечный фотосенсор, превосходящий по производительности существующие токсичные аналоги.

Экологичный квантово-точечный фотосенсор, созданный исследователями, демонстрирует высокую производительность устройства даже с поглощающим слоем из квантовых точек толщиной около 40 нанометров (нм). Более того, он показывает отличные характеристики обнаружения света без внешнего источника питания. Эти два свойства могут стать большим преимуществом для применения в носимых фотосенсорах.

Исследовательская группа также разработала носимый датчик пульса, объединив фотосенсор, созданный на гибкой полимерной подложке, с источником света. Сенсор обладал гибкостью, позволяющей стабильно работать даже при радиусе кривизны 0,5 миллиметра (мм), и мог стабильно измерять пульс в различных ситуациях, связанных с движением, таких как ходьба и бег, после прикрепления к телу человека.

Профессор Чжи-Вун Ян заявил: «Контролируя структуру экологичных квантовых точек и разрабатывая слой переноса заряда, оптимизированный для них, мы смогли создать высокопроизводительный экологичный квантово-точечный фотосенсор».

Профессор UNIST Мун-Ки Чой отметил: «На основе экологичного квантово-точечного фотосенсора, не требующего внешнего питания, мы смогли создать сверхтонкий датчик пульса с высокой гибкостью. Он может быть использован для различных применений фотосенсоров следующего поколения, таких как лидары и инфракрасные камеры, а также носимые системы мониторинга здоровья».