像人体皮肤一样伸展的软半导体可以检测超低光水平

半导体正在从刚性基板转向更灵活的塑料材料,甚至...

Kyungjin Kim 展示拉伸弹性体薄膜。在佐治亚理工学院期间,Kim 由 George W. Woodruff 机械工程学院教授 Olivier Pierron 和 Woodruff 机械工程学院前任主席 Samuel Graham 共同指导。 (图片来源:Kyungjin Kim)

由于新材料和制造的发现,半导体正在从被切割或形成薄盘或晶片的刚性基板转向更灵活的塑料材料甚至纸张。向更灵活的基板发展的趋势导致制造了许多设备,从发光二极管到太阳能电池和晶体管。

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佐治亚理工学院的研究人员创造了一种材料,该材料的作用类似于第二层皮肤,其可拉伸性比其原始尺寸高出 200%,而不会显着失去电流。研究人员表示,柔软的柔性光电探测器可以增强医疗可穿戴传感器和可植入设备等应用的实用性。

今天的光电探测器被用作健康监测的可穿戴设备,例如刚性指尖脉搏血氧计读数设备。它们将光信号转换为电信号,通常用于可穿戴电子设备。

像橡皮筋一样可拉伸

George W. Woodruff 机械工程学院教授 Olivier Pierron 说,鉴于传统的柔性半导体在几个百分比的应变下断裂,佐治亚理工学院的研究结果是“一个数量级的改进”,他的实验室测量机械性能极端条件下柔性电子产品的可靠性和可靠性, 报道佐治亚理工学院.

“想想橡皮筋或类似人体皮肤的柔软和可拉伸的东西,但具有与固体或刚性半导体相似的电半导体特性,”前电气与计算机工程学院 (ECE) 的联合 PI 卡内克·富恩特斯-埃尔南德斯 (Canek Fuentes-Hernandez) 说现在是波士顿东北大学电气与计算机工程系的副教授。他说:“我们已经证明,你可以在半导体中构建可拉伸性,从而保留检测光水平所需的电性能,而光水平比用于室内照明的灯泡产生的光水平暗约一亿倍。”

非凡的坚韧和团队合作

国际倡议副教务长兼 ECE 教授伯纳德·基佩伦 (Bernard Kippelen) 监督了该研究的第一作者、博士 Youngrak Park 的工作。 ECE 候选人。经过两年半的研究,Park 发现了正确的化合物组合,这些化合物产生了一种超柔软的材料,在光照下能够发电和导电。

Park 找到了半导体层所有部分的完美比例,以保持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,特别是考虑到单层比人类头发薄 1000 倍。

Park 依靠当时的佐治亚理工学院博士 Kyungjin Kim。机械工程专业的学生,​​测试材料的可靠性。他继续为 Kim 提供更大、更厚的样品,直到 500 纳米厚度的样品起作用。

“它仍然非常薄。在干燥的条件下,它只会崩溃。我们必须使用蓄水池来保持其形状,”现为康涅狄格大学机械工程系助理教授的 Kim 回忆道。

为了测试在照明下从设备发出的电信号,必须在其上嵌入电子终端。然而,这些终端也必须是可变形的,否则整个设备将变得僵硬。

“制造可伸缩电子终端本身就是一项重大挑战,”ECE 博士毕业生 Felipe Andres Larrain 说,他与 Park 密切合作并专注于嵌入式组件。他现在是智利 Adolfo Ibáñez 大学的助理教授。

佐治亚理工学院的三个工程实验室合作展示了光电探测器的新水平的可拉伸性。上图是第一作者 Youngrak Park(右)和实验室负责人(从左到右)Bernard Kippelen、Samuel Graham 和 Olivier Pierron。 (图片来源:佐治亚理工学院 Ben Wright)

虽然这种突破性材料最初已集成到光电探测器中并进行了电气功能测试,但仍需要进行更多测试和优化,以显示材料在多模态载荷下的拉伸性及其货架稳定性。

“令人兴奋的是这些材料和设备将使我们能够开发什么——即智能系统的概念。你有功能性表面,结合了监测各种物理特性的传感器,”伍德拉夫机械工程学院前任主席、现任马里兰大学工程学院院长格雷厄姆说。

“这是跨学科研究的一个很好的例子——如果没有电气和机械工程师之间的合作,这项工作是不可能实现的,”Kippelen 说。 “在实验室中,我们之前没有任何使用可拉伸材料的经验。弄清楚如何衡量这一点需要大量的毅力、创造力和艰苦的工作。”

新的智能应用成为可能

研究人员对这种材料增强医疗可穿戴设备的潜力感到最兴奋。通常,使用刚性生物传感器的手表有局限性,因为弯曲手腕可以完全改变传感器的测量值。当人移动时,它们会受到“运动伪影”或图像质量下降的影响。

研究小组预见到,除了可穿戴设备之外,柔软且可拉伸的聚合物混合物在健康监测方面的广泛应用。 “这种软设备也可能对用于生物电子应用的可植入电子设备具有吸引力,因为接口符合软生物组织的动态运动,从而减少了异物反应,”Kim 说。

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“潜力非常大,”拉雷恩补充道。 “从长远来看,你可以开发出可以增强甚至取代人眼或应用于机器人眼睛的传感器。”

Fuentes 认为这种材料在智能农业应用中发挥了作用,农民可以将光传感器安装到水果或其他农产品中,以监测生长、疾病和更好的收获时间。

Kippelen 认为,检测超低光水平的橡胶状光电二极管可用于检测、识别和表征电离辐射,以监测核燃料循环。

山姆·德雷珀
2022 年 2 月 24 日

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