想象一下，未來我們穿的衣服不再僅僅是蔽體的工具，而是能夠感知周圍環(huán)境，監(jiān)測(cè)身體狀況，甚至實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的智能系統(tǒng)。這正是可穿戴科技的魅力所在！而將光電器件，如晶體管和光電探測(cè)器（PDs），集成到可穿戴設(shè)備和紡織品中，是實(shí)現(xiàn)這一愿景的關(guān)鍵。
然而，可穿戴科技的發(fā)展面臨著巨大的挑戰(zhàn)，其中一個(gè)關(guān)鍵問題是如何讓器件在彎曲、拉伸等機(jī)械形變下保持穩(wěn)定性能。傳統(tǒng)的器件大多依賴于硅基材料，難以滿足柔性可穿戴的需求。
石墨烯-鈣鈦礦開啟可穿戴科技新紀(jì)元
為了突破這一技術(shù)瓶頸，來自劍橋大學(xué)的 Andrea C. Ferrari 教授團(tuán)隊(duì)在 Advanced Materials 期刊上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究，他們巧妙地將石墨烯和鈣鈦礦結(jié)合起來，制備出具有優(yōu)異性能的可穿戴光纖光電探測(cè)器。
l 石墨烯纖維，開啟無限可能
該團(tuán)隊(duì)首先使用化學(xué)氣相沉積 (CVD) 方法在銅箔上生長(zhǎng)出單層石墨烯 (SLG)，并將其轉(zhuǎn)移到光纖上，然后將光纖繞轉(zhuǎn)石墨烯層，形成導(dǎo)電的光纖。再通過原子層沉積 (ALD) 技術(shù)沉積一層 Al2O3 薄膜作為介電層，并通過相同方法將另一層石墨烯卷繞在上面，形成器件的通道。最后，在通道層上沉積一層鈣鈦礦，作為器件的光敏元件。
l 石墨烯-鈣鈦礦材質(zhì)特性整理
- 石墨烯，是單層碳原子組成的平面材料，厚度僅為一個(gè)原子層，是已知最薄的材料之一。
其優(yōu)勢(shì)：
l 高導(dǎo)電性： 石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，電子遷移率在室溫下可以達(dá)到15000 cm2/V·s以上。使其成為制作導(dǎo)電纖維的理想材料。
l 柔性可彎曲且輕薄： 石墨烯作為二維材料非常輕薄，幾乎沒有重量的柔性特性使其能夠適應(yīng)纖維的彎曲變形，不會(huì)影響器件性能。
l 化學(xué)穩(wěn)定性： 石墨烯具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，可以抵御環(huán)境中的腐蝕和氧化，從而保證器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
-鈣鈦礦的優(yōu)勢(shì)
l 高光響應(yīng): 鈣鈦礦材料具有良好的光電特性，使其成為制作光電探測(cè)器的理想選擇。
l 可調(diào)諧能隙: 鈣鈦礦材料的能隙可以通過改變其成分進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其適用于不同的光譜范圍。
l 低成本: 鈣鈦礦材料可通過溶液發(fā)低溫制備，工藝簡(jiǎn)單且成本低廉，使其具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。
該團(tuán)隊(duì)制備的光纖光電探測(cè)器 (PD) 表現(xiàn)出優(yōu)異的性能：
高速響應(yīng)： 響應(yīng)時(shí)間約為 9 毫秒，比現(xiàn)有的可穿戴光纖光電探測(cè)器快一個(gè)數(shù)量級(jí)。
高外部響應(yīng)度: 在 488 nm 激光照射下，器件在 1 V 偏置電壓下具有約 22 kA/W 的外部響應(yīng)度，比現(xiàn)有的可穿戴光纖光電探測(cè)器高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
優(yōu)異的柔韌性： 在 4 mm 半徑彎曲下，器件的光電流保持率高達(dá) 80%，展現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性。
良好的耐洗性： 經(jīng)過 30 次 AATCC 標(biāo)準(zhǔn)洗滌測(cè)試后，器件的光電流保持率約為 72%，展現(xiàn)出良好的耐洗性。
未來的應(yīng)用場(chǎng)景
這項(xiàng)研究為可穿戴光電探測(cè)器的開發(fā)開辟了新的道路，具有廣闊的應(yīng)用前景：
l 醫(yī)療保健: 可穿戴光纖光電探測(cè)器可以集成到衣物中，監(jiān)測(cè)心率、血壓等生理參數(shù)，為疾病診斷和健康管理提供更便捷的方式。
l 人機(jī)交互: 光纖光電探測(cè)器可以感知環(huán)境光線變化，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，例如控制智能設(shè)備、照明系統(tǒng)等。
l 安全監(jiān)測(cè): 光纖光電探測(cè)器可以用于監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)環(huán)境，例如檢測(cè)有害物質(zhì)或危險(xiǎn)氣體，保障人員安全。
挑戰(zhàn)與機(jī)遇
盡管石墨烯-鈣鈦礦光纖光電探測(cè)器展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，但其發(fā)展也面臨著一些挑戰(zhàn)：
穩(wěn)定性: 鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性仍然是制約其應(yīng)用的重要因素。如何在惡劣環(huán)境條件下保持鈣鈦礦材料的穩(wěn)定性，是未來研究的重點(diǎn)。
大規(guī)模制備: 目前，石墨烯-鈣鈦礦光纖光電探測(cè)器的制備工藝比較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
集成性： 將光纖光電探測(cè)器與其他電子器件和紡織品集成，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
總結(jié)
石墨烯-鈣鈦礦光纖光電探測(cè)器有望在可穿戴科技領(lǐng)域掀起新的革命。其優(yōu)異的性能和良好的穩(wěn)定性，將為可穿戴電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和應(yīng)用開拓新的可能性，為人們的生活帶來更多便利和安全保障。未來，克服現(xiàn)有的挑戰(zhàn)，將進(jìn)一步推動(dòng)該技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)可穿戴科技的廣泛應(yīng)用。
Fig. 7.
(B）光致發(fā)光光譜，分析: PVK在750 nm處有顯著的發(fā)光峰，而SLG/PVK的發(fā)光強(qiáng)度較低。
(C）光致發(fā)光壽命，分析: PVK的光致發(fā)光壽命較長(zhǎng)，而SLG/PVK的衰減更快。
Fig. 9.
(a) 光纖PD的光譜噪聲功率。縱軸為噪聲密度（dBm/Hz），橫軸為頻率（Hz）。(b) 光纖PD的波長(zhǎng)依賴性 ????????R ext 和吸收率。縱軸左側(cè)為 ????????R ext （A/W），右側(cè)為吸收率，橫軸為波長(zhǎng)（nm）。
原文出處: ADVANCED MATERIALS
推薦設(shè)備_
1. PD-QE新型光電傳感器特性分析儀
規(guī)格
l PD-QE 有不同的模塊，偏置電壓也可由 20 V 到 1000 V。同時(shí)，可測(cè)量高分辨率的光電流，分辨率最高可達(dá) 10-16 A。
l 波長(zhǎng)擴(kuò)充可達(dá) 1800 nm。
l 可選配軟件升級(jí)控制 Kiethley 4200 SMU。
l 應(yīng)用- 有機(jī)光傳感器 (OPD, Organic Photodiode)、鈣鈦礦光傳感器 (PPD, Perovskite Photodiode)、量子點(diǎn)光傳感器 (QDPD, Quantum Dots Photodiode)、新型材料光傳感器,第三代半導(dǎo)體材料(Photodiode/Photodetector)
微信掃一掃
