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，甚至實現(xiàn)人機交互的智能系統(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 教授團隊在 Advanced Materials 期刊上發(fā)表了一項突破性研究，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
該團隊首先使用化學(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)濟優(yōu)勢。

該團隊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 80%，展現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性。

良好的耐洗性： 經(jīng)過 30 次 AATCC 標準洗滌測試后，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  人機交互: 光纖光電探測器可以感知環(huán)境光線變化，從而實現(xiàn)人機交互，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)測危險環(huán)境，例如檢測有害物質(zhì)或危險氣體，保障人員安全。

挑戰(zhàn)與機遇

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。

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，實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能，還需要進行進一步的研究。

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)，將進一步推動該技術(shù)的發(fā)展，實現(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

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