Graphen "Falten": elastische Graphen-Fotodetektoren, die in den Körper implantiert werden können

Graphen, ein glühendes zweidimensionales Material, ist eigentlich ein einschichtiges hexagonales Kohlenstoffatomgitter mit Breitbandabsorption, hoher Trägermobilität und Plastizität. Es ist in der Fotodetektorforschung weit verbreitet. Aufgrund seiner geringen Absorptionsrate im sichtbaren und nahen Infrarotbereich hat es jedoch die Entwicklung von Graphen-Breitband-Fotodetektoren behindert. Daher konzentriert sich die aktuelle Forschung zu Graphen-Fotodetektoren hauptsächlich auf Hybridsysteme, die die Lichtabsorption verbessern. Ein solches Hybridsystem ist jedoch komplex zu kombinieren, wodurch die Trägermobilität aufgrund heterogener Grenzflächen verringert oder die Erfassungsbandbreite aufgrund der Abhängigkeit von Plasma oder optischer Resonanz verringert wird, was zu einem begrenzten Anwendungsbereich und erhöhten Herstellungskosten führt.

In den kürzlich erschienenen "AdvancedMaterials" berichtete Professor SungWooNam von der University of Illinois in Urbana-Champaign über einen neuen spannungsabgestimmten elastischen Graphen-Fotodetektor, und die Strategie zur Problemlösung ist subtil. Der Detektor basiert auf gefaltetem dreidimensionalem Graphen, einem "Falten" -Material, das Lichtsignale verstärkt und sich mit kolloidalen photonischen Kristallen (CPC) mit beiden wellenlängenabgestimmten Wellenlängenselektivitäten kombiniert. Diese gekrümmte dreidimensionale Struktur erhöht die Flächendichte des Graphens erheblich und erreicht eine Extinktion von mehr als einer Größenordnung (12,5-fach) und eine Erhöhung der photoelektrischen Reaktion um 400%. Darüber hinaus wird durch Aufbringen einer Dehnung von 200% auf das Material eine Lichtantwortmodulation von etwa 100% erhalten. Auf diese Weise werden ein durch Dehnung abgestimmtes optisches Filter und ein elastischer Graphen-Fotodetektor erhalten.

Die Forscher wendeten während der Synthese eine Vorspannung auf die Acrylmatrix am Boden des Graphens an, um eine dreidimensionale Graphenfaltungsstruktur unter Spannungsfreisetzung zu erhalten, und ihre Extinktion betrug das 12,5- bzw. 6,6-fache der des flachen Graphens. Diese Methode eignet sich auch für andere neu entstehende zweidimensionale Materialien wie Molybdändisulfid (MoS2). Auf dieser Basis bauten die Forscher ein hochleistungsfähiges photoelektrisches Detektionsgerät, indem sie einen gewellten Graphenkanal, der Photostrom erzeugt, und einen gewellten Goldkontakt kombinieren, der photoelektrische Signale sammelt. Der Photostrom wird an der Verbindung zweier Teile durch Laserbestrahlung gemessen. Unter verschiedenen einachsigen Zugspannungen (0% -200%) wird die Öffnungs- und Schließzeit des Lasers gesteuert, und die dynamischen Photoantwortdaten des elastischen Fotodetektors mit schneller Antwortgeschwindigkeit, guter Reproduzierbarkeit und Antwortverbesserung von 370% werden erhalten .

Anschließend ersetzten die Forscher das Detektorsubstrat durch ein hoch biokompatibles, hochflexibles Siliziumpolymer und wendeten 11,1% der Zugbiegebeanspruchung auf das menschliche Gehirnmodell und das Herzmodell an. Die Ergebnisse zeigen, dass die Strom- und Spannungskurven (V) auf der Oberfläche und der Oberfläche in Tausenden von Zugzyklen ähnlich und stabil sind. Dies bedeutet, dass dieses photoelektrische Detektionssystem ein sehr hohes Anwendungspotential auf dem Gebiet der Implantatbiomedizin und Optoelektronik aufweist.

Schließlich werden kolloidale photonische Kristalle in flexible Matrizen eingebettet und als optische Dehnungsabstimmungsfilter verwendet. Das UV-sichtbare Spektrum zeigt, dass bei einer Dehnung von 0% bis 30% der reflektierte Peak blau verschoben ist und die Farbe zwischen orange und grün wechselt, wodurch der integrierte CPC-elastische Graphen-Fotodetektor für die Bindungswellenlänge einzigartig wird Selektivität und Verbesserung der photoelektrischen Reaktion. Potenzial.

2015 berichtete das Zhangguangyu-Forschungsteam des Instituts für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften auch über einen taktilen Sensor auf der Basis flexibler Graphenmaterialien (ACSNano, 2015, 9,1622-1629, DOI: 10.1021 / nn506341 U). Die "elektronische Haut" hat eine hohe Transparenz, Empfindlichkeit und Reaktionszeit von einem Zehntel der Haut und kann Zehntausenden von Stresstests standhalten.

Es wird angenommen, dass der flexible Graphen-Detektor in der kontinuierlichen eingehenden Forschung einen höheren praktischen Wert für die militärische und medizinische Gesundheit spielen wird.

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