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,，厚度僅為一個原子層,，是已知最薄的材料之一,。
其優(yōu)勢：

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?。?/span> 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,，從而保證器件的長期穩(wěn)定性,。

-鈣鈦礦的優(yōu)勢

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，工藝簡單且成本低廉,，使其具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,。

該團(tuán)隊(duì)制備的光纖光電探測器 (PD) 表現(xiàn)出優(yōu)異的性能：

高速響應(yīng)： 響應(yīng)時間約為 9 毫秒，比現(xiàn)有的可穿戴光纖光電探測器快一個數(shù)量級,。

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器高兩個數(shù)量級,。

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)用場景

這項(xiàng)研究為可穿戴光電探測器的開發(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器可以集成到衣物中，監(jiān)測心率,、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: 光纖光電探測器可以用于監(jiān)測危險(xiǎn)環(huán)境,，例如檢測有害物質(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,，而SLG/PVK的衰減更快。

Fig. 9.

(a) 光纖PD的光譜噪聲功率,?？v軸為噪聲密度（dBm/Hz），橫軸為頻率（Hz）,。(b) 光纖PD的波長依賴性 ????????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（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，可測量高分辨率的光電流,，分辨率最高可達(dá) 10^-16 A,。

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l  可選配軟件升級控制 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)