佐治亚理工学院开发出一种可探测超弱光线的柔性半导体
2022-01-08 20:46:26 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
佐治亚理工学院发明了一种堪比人类第二层皮肤的柔性材料。据称，这种材料的可拉伸性能可以延展至原尺寸的200%以上，而且不会明显降低电气性能。研究人员表示，他们开发的柔性光电探测器有望改善医用可穿戴传感器和植入式器件等应用。
佐治亚理工学院三个工程实验室密切合作，将光电探测器的可拉伸性能提升到了全新的高度。
研究人员展示可拉伸光电探测器
随着新材料的发现和制造技术的发展，半导体器件正在从刚性衬底转向可拉伸性能更好的塑料甚至纸基衬底。这种柔性趋势带来了很多新型有源器件，例如从发光二极管到太阳能电池和晶体管等。
据麦姆斯咨询报道，佐治亚理工学院（Georgia Tech）的研究人员发明了一种堪比人类第二层皮肤的柔性材料。据称，这种材料的可拉伸性能可以延展至原尺寸的200%以上，而且不会明显降低电气性能。研究人员表示，他们开发的柔性光电探测器有望改善医用可穿戴传感器和植入式器件等应用。该研究成果已发表于Science Advances。
佐治亚理工学院机械和计算工程实验室的研究人员经过三年合作，开发了一种可拉伸性能达到全新水平的柔性光电探测器。这种光电探测器由合成聚合物和弹性体结合制成，可以捕捉光子产生电流。George W. Woodruff机械工程学院教授Olivier Pierron评价称，传统柔性半导体器件在几个百分点的应变下就可能发生断裂，佐治亚理工学院的研究成果实现了“数量级的改进”。
柔性基体，可靠性能
Canek Fuentes Hernandez教授说：“我们开发的光电探测器能够像人类皮肤或橡皮筋那样柔软、可拉伸，但同时还具有类似固体或刚性半导体的电气性能。”Canek Fuentes Hernandez曾是佐治亚理工学院副教授，现任波士顿东北大学电子和计算机工程学院副教授。
他说：“我们已经证明可以构建具有更好可拉伸性能的半导体器件，同时具有检测光线所需要的电气性能，并且，可以检测相比室内照明灯泡亮度低约一亿倍的亮度。”
电子和计算机工程学院教授Bernard Kippelen指导第一作者、博士研究生Youngrak Park进行了这项研究工作。经过两年半的研究，Park发现了一种化合物组合，并由此制作了一种超软材料，在光照下能够产生电荷并导电。
Fuentes Hernandez看到了这种可拉伸光电探测器的巨大应用潜力
优化层厚
Park研究了半导体层所有部分的完美比例，以确保光电探测器的高性能。但要证明材料的可拉伸性是一项艰苦的工作。Park和当时就读机械工程博士的Kyungjin Kim合作测试了这种材料的可靠性。他为Kim提供了更大、更厚的样品进行测试，发现厚度为500纳米的样品工作良好。
Kim现在已成为康涅狄格大学机械工程系的助理教授，Kim评价称：“500纳米仍然非常薄。在干燥条件下，它会碎裂。我们必须用水来保持它的形状。”
Pierron详细阐明了测量光敏层的纯机械性能有多困难：“电子器件通常非常脆弱，这对于在刚性衬底上制造的传统器件来说问题不大。但是转到柔性衬底上，这就带来了挑战。”
水就像保鲜膜一样将柔性光电探测器薄膜保持适当的状态而不碎裂或变形，使研究人员能够拉伸材料并测量其机械性能。为了测试器件在光照下发出的电信号，必须在其上嵌入电气端子。当然，这些电气端子也必须是可变形的，否则整个器件就会失去柔性。
Felipe Andres Larrain博士说：“制造可拉伸的电气端子本身就是一个重大挑战。”他和Park密切合作，专注于嵌入式组件的研究。Larrain现在是智利阿道夫·伊巴涅斯大学的助理教授。
尽管这种突破性材料已经被集成到光电探测器中，并进行了电气功能测试，但还需要进行更多的测试和优化，以证明该材料在多模态负载下的可拉伸性及其架构的稳定性。
Kyungjin Kim展示可拉伸弹性薄膜
潜在应用
研究人员对这种材料在增强医用可穿戴设备方面的潜力最为兴奋。通常，采用刚性生物传感器的智能手表存在很多局限性，因为手腕弯曲等运动可能完全改变传感器的测量值。在人体活动时，它们会受到所谓的“运动伪影”（motion artifact）的影响。
该团队预计，除了用于健康监测的可穿戴设备外，这种柔性、可拉伸聚合混合物还有丰富的应用前景。Kim说：“这种柔性器件对于生物植入式电子器械也具有吸引力，因为这种人机接口更契合生物组织的动态运动，减少了异物反应。”
Fuentes认为这种材料还可以应用于智慧农业领域。农民可以在水果或其他农产品上安装这种柔性光传感器，以监测作物的生长、疾病，并预测更佳的收获时间。Kippelen认为，能够检测超低光水平的可拉伸光电二极管，还可以应用于探测、识别和表征核燃料循环监测的电离辐射。
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