據(jù)麥姆斯咨詢介紹，韓國大邱慶北科學技術學院（Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology）能源科學與工程系Ji-woong Yang教授及其團隊，成功開發(fā)出世界上性能最高的環(huán)保型量子點光電傳感器，并且，該傳感器還不需要任何外部供電。

這項研究成果由大邱慶北科學技術學院與蔚山國立科學技術研究院（UNIST）新材料工程系Moon-kee Choi教授團隊及首爾國立大學化學與生物分子工程系Dae-hyeong Kim教授團隊聯(lián)合開發(fā)，憑借光伏效應，該環(huán)保型量子點光電傳感器可以在沒有任何外部電源的情況下穩(wěn)定測量光信號。

聯(lián)合研究團隊還基于這款光電傳感器制作了一種可貼附于皮膚的可穿戴超薄脈沖傳感器，能夠在不同機械形變下穩(wěn)定地獲取脈沖信號。這項研究現(xiàn)已發(fā)表于ACS Nano期刊，題為“Ultrathin Self-Powered Heavy-Metal-Free Cu–In–Se Quantum Dot Photodetectors for Wearable Health Monitoring”。

近些年，人口老齡化和新冠疫情的影響，推動了人們對長時間佩戴以獲取生物信號的醫(yī)療保健監(jiān)測設備的需求增長。然而，傳統(tǒng)硅基光電傳感器由于重量大且剛性，長時間佩戴不舒適，限制了它們在可穿戴監(jiān)測方面的實際應用。另外，它們還無法與皮膚保持緊密接觸，因而也不能準確地獲取生物特征信號。

本研究超薄Cu?In?Se量子點（QD）光電探測器（PD）示意圖及相關表征

今年的諾貝爾化學獎授予了三位發(fā)現(xiàn)并開發(fā)量子點的科學家，量子點也被稱為納米科學的種子。量子點是一種超微半導體顆粒，尺寸只有數(shù)納米（nm）大小，相比傳統(tǒng)半導體材料更好的光學和電學性能，使其能夠快速分離電子和空穴。

量子點用于光電傳感器具有響應速度快的優(yōu)點，因此基于量子點的光電傳感器獲得了廣泛研究。不過，大部分現(xiàn)有量子點光電傳感器的厚度都超過數(shù)微米，而且大多使用了有毒重金屬材料，如硫化鉛（PbS）。因此，這些量子點材料在實踐中還無法應用于可穿戴光電傳感器。

該聯(lián)合研究團隊現(xiàn)已成功開發(fā)出一種不含重金屬、基于銅銦硒化物（Cu-In-Se，CISe）環(huán)保型量子點的超高性能量子點光電傳感器。此前，人們普遍認為，基于環(huán)保型量子點的光電傳感器性能較差。盡管如此，該聯(lián)合研究團隊通過控制量子點的尺寸和組成，改善了環(huán)保型量子點的電學性能，開發(fā)了一種適合量子點的新型有機-無機混合電荷轉移層，構建了一種性能超越現(xiàn)有的有毒量子點光電傳感器的環(huán)保型量子點光電傳感器。

超薄Cu-In-Se量子點光電傳感器

聯(lián)合研究團隊開發(fā)的環(huán)保型量子點光電傳感器的量子點吸收層約40 nm厚，但也顯示出出色的器件性能（比探測率：2.10 x 1012 Jones，線性動態(tài)范圍：102 dB，零偏壓下的光譜范圍：250-1050 nm）。這主要歸功于材料和器件設計策略，材料包括Cu-In-Se量子點、MoS?納米片混合的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）空穴傳輸層、ZnO納米顆粒電子傳輸層、Ag和ITO電極，以及超薄的外形（除電極外約120 nm），可實現(xiàn)出色的機械形變能力。此外，它在沒有外部電源的情況下也表現(xiàn)出良好的光檢測性能。這兩個特性對于可穿戴光電傳感器應用來說是巨大優(yōu)勢。

此外，聯(lián)合研究團隊還將這種在聚合物基柔性襯底上制得的光電傳感器與光源相結合，開發(fā)出一種可穿戴脈沖傳感器。該傳感器具有柔性，即使在0.5 mm的曲率半徑下也能穩(wěn)定地工作，因此，在附著人體之后，即使面對步行和跑步等運動情況也能穩(wěn)定地測量脈沖。

Ji-woong Yang教授說：“通過控制這種環(huán)保型量子點的結構，開發(fā)針對量子點優(yōu)化的電荷轉移層，我們能夠制造出高性能的環(huán)保型量子點光電傳感器。”

UNIST教授Moon-kee Choi表示：“我們能夠基于環(huán)保型量子點光電傳感器制造出一種具有高度柔性的超薄脈沖傳感器，并且還不需要外部供電。它有望用于各種下一代光電傳感應用，例如激光雷達和紅外相機，以及可穿戴醫(yī)療保健監(jiān)測系統(tǒng)等?！?/p>

審核編輯：劉清