Nel contesto dello sviluppo dell’assistenza sanitaria intelligente verso la digitalizzazione, la nuova generazione di fotorilevatori ha un’ampia gamma di prospettive applicative e un enorme valore di mercato. Le caratteristiche del materiale in grafene, come l'ampia mobilità dei portatori, l'eccellente trasparenza ottica e l'elevata resistenza meccanica, lo rendono uno dei materiali preferiti per lo sviluppo di fotorilevatori di nuova generazione.
La maggior parte dei fotorilevatori utilizza semiconduttori solidi e raramente utilizza liquidi come unità di rilevamento, e la tradizionale attrezzatura per la preparazione dei fotorivelatori a giunzione PN eterogenea o omogenea è costosa e complicata, come la necessità di apparecchiature avanzate per l'epitassia sotto vuoto come la deposizione di vapori chimici metallo-organici (MOCVD) , epitassia del fascio molecolare (MBE) e il processo di crescita corrispondente a questi dispositivi sulla giunzione PN del semiconduttore ha una corrispondenza reticolare del materiale molto stretta.
I processi di crescita corrispondenti a questi dispositivi hanno requisiti molto severi sull'adattamento del reticolo dei materiali delle giunzioni PN dei semiconduttori, il che limita la scelta dei semiconduttori necessari per il rilevamento di diverse sorgenti luminose. Inoltre, i portatori fotoeccitati richiedono una tensione di polarizzazione applicata come driver applicato per raccogliere i portatori, il che aumenta ulteriormente il costo e il consumo energetico dei circuiti del driver.
Per risolvere questo problema, il team del professor Shisheng Lin dell'Università di Zhejiang ha proposto un nuovo fotorilevatore di grafene basato su liquidi polarizzati come le molecole d'acqua. Dopo che il liquido polare è in contatto con il semiconduttore di tipo N e il grafene, a causa della differenza tra il livello di energia di Fermi e il potenziale chimico del liquido polare, il liquido polare all'interfaccia verrà polarizzato e verrà indotta la carica corrispondente all'interfaccia bifase solido-liquido.
Sotto l'irradiazione di una sorgente luminosa esterna, nel semiconduttore viene generato un gran numero di coppie di elettroni lacuna e questi portatori fotogenerati si raccolgono su entrambi i lati del liquido polare ed emettono una corrente di fotopolarizzazione transitoria.
Sotto l'irradiazione continua da una fonte di luce esterna, le molecole liquide più polari vengono polarizzate dai nuovi portatori fotogenerati raccolti su entrambi i lati, che inducono le molecole d'acqua a ruotare in modo ordinato e generano una corrente di fotopolarizzazione stabile e l'aumento della corrente di fotopolarizzazione è ulteriormente ottenuto introducendo soluzioni ioniche.
Inoltre, il lavoro propone una nuova fisica del dispositivo per fotorilevatori a base liquida, che utilizza la flessibilità e l'elevata conduttività del grafene per ottenere una funzione di monitoraggio dell'ossigeno umano stabile e di alta precisione non invasiva basata su fotorilevatori liquidi. I risultati sono stati pubblicati in Ricerca come "fotorivelatore a base di grafene attivato da molecole d'acqua fotopolarizzate."
La struttura fisica del diodo dinamico originariamente proposta dal gruppo del Prof. Shisheng Lin nel 2018 (brevetto di invenzione nazionale autorizzato:CN201810739256.2, brevetto di invenzione statunitense autorizzato:brevetto USA 11.522.468), questa volta l'uso originale della rapida rotazione meccanica delle molecole d'acqua, sviluppato fotorilevatori autoguidati che utilizzano scale molecolari per liquidi polari. Questi fotorilevatori evitano efficacemente la necessità di adattamento del reticolo e raggiungono buone prestazioni di rilevamento dall'ultravioletto profondo al vicino infrarosso.
Rispetto ai nuovi fotorilevatori, i dispositivi interamente a stato solido hanno portatori fotogenerati separati istantaneamente dal campo elettrico incorporato dopo l'eccitazione della luce incidente e non si verifica alcuna corrente di fotopolarizzazione transitoria. Inoltre, a causa dei diversi livelli di energia di Fermi e dei potenziali chimici, Gr/W/N-GaN e Gr/W/P-GaN mostrano diverse uscite di fotocorrente direzionali. Sotto l'eccitazione della luce, un gran numero di portatori fotogenerati si spostano verso l'interfaccia, polarizzando le molecole d'acqua.
L'utilizzo di una soluzione salina del liquido polare invece dell'acqua deionizzata migliora ulteriormente la fotocorrente aumentando la conduttività del liquido polare intermedio. Gli autori hanno poi studiato la dipendenza del dispositivo dalla potenza ottica e dal rumore del dispositivo. I risultati mostrano che alle basse frequenze il dispositivo è dominato dal rumore 1/f, mentre il dispositivo mostra una buona stabilità di fotoconversione e caratteristiche di dipendenza dalla potenza ottica.
Il presente lavoro fornisce un potenziale modo per superare la limitazione dell'adattamento reticolare dei fotorilevatori a semiconduttore a eterogiunzione selezionando liberamente un semiconduttore adatto in combinazione con un liquido polare in base alla lunghezza d'onda da rilevare. In questo lavoro, il GaAs con assorbimento a banda larga è integrato in un dispositivo di misurazione della fotoconversione per rilevare con successo le lunghezze d'onda visibili e del vicino infrarosso.
Gli autori sono riusciti a estrarre le componenti AC e DC del segnale dall'onda dell'impulso fotovolumetrico, dove la componente AC deriva principalmente dalla luce assorbita dal rilevatore attraverso il sangue che scorre nelle arterie, che è un riflesso diretto del cambiamento di diametro del vaso.
È stata finalmente raggiunta una funzione stabile di monitoraggio dell'ossimetria umana non invasiva basata su fotorilevatori di polarizzazione di liquidi molecolari polari, con frequenza cardiaca e saturazione di ossigeno ottenute rispettivamente a 69,7-74,2 battiti al minuto e 93,8-95,6%, che sono molto vicini a quelli ottenuti dagli ossimetri commerciali allo stesso tempo.
Il presente studio rivela fotorilevatori UV ad alte prestazioni a base liquida, in cui l'inserimento di un liquido polare in una giunzione PN può generare una corrente di fotopolarizzazione persistente sotto illuminazione leggera.
Sotto illuminazione leggera, gli elettroni e le lacune fotogenerati si sposteranno continuamente verso l'interfaccia solido-liquido a causa della differenza nei potenziali chimici dei polarizzatori e dei livelli energetici di Fermi del semiconduttore, che fornisce una nuova idea per risolvere il problema del rilevatore limitato dal reticolo -vincoli di corrispondenza e lunghezza d'onda di rilevamento regolabile arbitrariamente.
Nella ricerca futura, i ricercatori si concentreranno sulla progettazione di dispositivi di monitoraggio della salute indossabili e flessibili per importanti aggiunte. Cercano inoltre di risolvere i vari problemi che attualmente limitano la corrispondenza reticolare dei rilevatori di eterogiunzione e di fornire varie informazioni critiche per la valutazione non invasiva della salute del corpo umano attraverso dispositivi di monitoraggio optoelettronici.
Ulteriori informazioni: Shisheng Lin et al, Fotorilevatore autogestito basato su grafene attivato da una molecola di acqua fotopolarizzata, Ricerca (2023). DOI:10.34133/ricerca.0202
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