Этот эластичный полупроводник может обнаруживать очень низкий уровень света.

Исследователи показали новый уровень растяжимости фотоприемника.

Фотодетекторы – это устройства, изготовленные из синтетического полимера и эластомера, который поглощает свет и производит электрический ток.

Полупроводники уходят от жестких подложек, которые нарезают или формируют в виде тонких дисков или пластин, к более гибким пластиковым материалам и даже бумаге благодаря новым открытиям в области материалов и технологий.

Тенденция к более гибким подложкам привела к производству множества устройств, от светодиодов до солнечных элементов и транзисторов.

Новый материал на 200% более растяжим, чем его исходный размер, без значительных потерь электрического тока.

Исследователи говорят, что их новые гибкие фотодетекторы могут расширить возможности носимых медицинских датчиков и имплантируемых устройств, помимо других приложений.

Фотодетекторы сегодня используются в качестве носимых устройств для наблюдения за состоянием здоровья, например, считывающие устройства с жесткими кончиками пальцев. Они преобразуют световые сигналы в электрические и обычно используются в носимой электронике.

Учитывая, что обычные гибкие полупроводники ломаются при деформации в несколько процентов, результаты исследований Технологического института Джорджии являются «улучшением на порядок», – говорит Оливье Пьерон, профессор Школы машиностроения Джорджа В. Вудраффа, в лаборатории которой измеряются механические свойства. и надежность гибкой электроники в экстремальных условиях.

«Подумайте о резиновой ленте или о чем-то мягком и растягивающемся, как человеческая кожа, но имеющем аналогичные электрические полупроводниковые свойства твердых или жестких полупроводников», – говорит Канек Фуэнтес-Эрнандес, соучредитель, ранее работавший в Школе электротехники и компьютерной инженерии (ECE). а теперь доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Северо-Восточного университета в Бостоне.

«Мы показали, что вы можете обеспечить растяжимость полупроводников, которые сохранят электрические характеристики, необходимые для обнаружения уровней света, которые примерно в сто миллионов раз слабее, чем у лампочек, используемых для внутреннего освещения», – говорит он.

Бернард Киппелен, вице-проректор по международным инициативам и профессор ECE, курировал работу Youngrak Park, первого автора исследования и кандидата наук в ECE.

После двух с половиной лет исследований Парк обнаружил правильную комбинацию химических соединений, из которых получился сверхмягкий материал, способный генерировать и проводить электричество при воздействии света.

Парк нашел идеальное соотношение для всех частей полупроводникового слоя для поддержания высоких характеристик фотоприемника. Но это была кропотливая работа, чтобы доказать растяжимость материалов, особенно с учетом того, что один слой был в 1000 раз тоньше человеческого волоса.

Чтобы проверить надежность материала, Пак полагался на Кёнджина Кима, который тогда был аспирантом по машиностроению в Технологическом институте Джорджии. Он продолжал предоставлять Киму более крупные и толстые образцы, пока не стал работать один из них толщиной 500 нанометров.

«Он все еще был супертонким. В сухих условиях он просто рассыплется. Чтобы сохранить форму, нам пришлось использовать резервуар для воды », – вспоминает Ким, ныне доцент кафедры машиностроения Университета Коннектикута.

Говоря о том, насколько сложно было измерить чисто механические свойства фотоактивного слоя, Пьерон отмечает: «Электронные устройства обычно очень хрупкие, что нормально для обычных устройств, изготовленных на жестких подложках. Но как только вы начнете использовать мягкие подложки, это станет проблемой ».

Вода действовала как полиэтиленовая пленка, удерживая тонкие пленки на месте, не рассыпаясь и не теряя формы, что позволяло исследователям растягивать материал и измерять его механические свойства.

Чтобы проверить электрические сигналы, исходящие от устройства при освещении, в него должны были быть встроены электронные терминалы. Однако эти клеммы тоже должны были быть деформируемыми, иначе все устройство стало бы жестким.

«Изготовление растягиваемых электронных терминалов само по себе было серьезной проблемой, – говорит выпускник ECE PhD Фелипе Андрес Ларрейн, который тесно сотрудничал с Park и сосредоточился на встраиваемых компонентах. Сейчас он доцент Университета Адольфо Ибаньеса в Чили.

Хотя этот революционный материал изначально был интегрирован в фотодетектор и протестирован на электрическую функциональность, необходимы дополнительные испытания и оптимизация, чтобы показать растяжимость материалов при мультимодальных нагрузках и их стабильность при хранении.

«Интересно то, что эти материалы и устройства позволят нам развить, а именно концепцию интеллектуальных систем.

У вас есть функциональные поверхности, сочетающие в себе датчики, контролирующие все виды физических свойств », – говорит Грэм, бывший председатель школы машиностроения Вудрафф, а ныне декан инженерного факультета Университета Мэриленда.

Исследователи больше всего взволнованы потенциалом этого материала для улучшения медицинских носимых устройств. Как правило, наручные часы, в которых используются жесткие биосенсоры, имеют ограничения, поскольку сгибание запястья может полностью изменить измерения датчика. Они подвержены «артефакту движения» или ухудшению качества изображения, вызванному движением человека.

«Перемещение может существенно повлиять на удобство использования собранных данных, но возможность перемещать устройства на теле для минимизации или устранения артефактов движения – это большое дело», – отмечает Габриэль Кан, менеджер проекта Huxley Medical, стартапа биосенсоров в Атланте. недавно окончил Технологический институт Джорджии со степенью доктора гибкой электроники.

«Наличие электроники, которая может сгибаться, скручиваться, сгибаться, приспосабливаться к неплоским поверхностям и двигаться вместе с вашим телом, позволит вам разместить эти датчики в более удобных местах для сбора биометрических данных. Это будет намного полезнее, помогая диагностировать или контролировать существующие медицинские заболевания ».

Исследовательская группа предполагает, что смесь мягких и растяжимых полимеров сможет найти широкое применение не только в носимых устройствах, но и в мониторинге здоровья.

«Мягкое устройство также может быть привлекательным для имплантируемой электроники для биоэлектронных приложений, поскольку интерфейсы соответствуют динамическому движению мягких биологических тканей, уменьшая реакцию на инородное тело», – говорит Ким.

«Потенциал фантастический», – добавляет Ларрейн. «В долгосрочной перспективе вы можете разработать датчики, которые могут улучшить или даже заменить человеческий глаз или быть применены к глазам роботов».

Фуэнтес считает, что материал работает в интеллектуальных сельскохозяйственных приложениях, где фермеры могут прикреплять датчики света к фруктам или другим продуктам для отслеживания роста, болезней и сокращения времени сбора урожая.

Киппелен считает, что резиноподобные фотодиоды, которые обнаруживают сверхмалые уровни света, могут найти применение при обнаружении, идентификации и характеристике ионизирующего излучения для мониторинга ядерного топливного цикла.

Исследование публикуется в журнале. Достижения науки.