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閱讀：21發(fā)布時(shí)間：2026-4-26
可用于可穿戴健康監(jiān)測(cè)的自供電環(huán)保型量子點(diǎn)光電傳感器：
近些年，人口老齡化和疫情的影響，推動(dòng)了人們對(duì)長(zhǎng)時(shí)間佩戴以獲取生物信號(hào)的醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)設(shè)備的需求增長(zhǎng)。然而，傳統(tǒng)硅基光電傳感器由于重量大且剛性，長(zhǎng)時(shí)間佩戴不舒適，限制了它們?cè)诳纱┐鞅O(jiān)測(cè)方面的實(shí)際應(yīng)用。另外，它們還無(wú)法與皮膚保持緊密接觸，因而也不能準(zhǔn)確地獲取生物特征信號(hào)。
聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)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(jī)械形變下穩(wěn)定地獲取脈沖信號(hào)。這項(xiàng)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”。
這項(xiàng)研究成果由大邱慶北科學(xué)技術(shù)學(xué)院與蔚山國(guó)立科學(xué)技術(shù)研究院（UNIST）新材料工程系Moon-kee Choi教授團(tuán)隊(duì)及首爾國(guó)立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系Dae-hyeong Kim教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開(kāi)發(fā)，憑借光伏效應(yīng)，該環(huán)保型量子點(diǎn)光電傳感器可以在沒(méi)有任何外部電源的情況下穩(wěn)定測(cè)量光信號(hào)。
考慮到應(yīng)變傳感器大多以電阻變化為基礎(chǔ)，因此主要關(guān)注電阻型紡織應(yīng)變傳感器的傳感機(jī)理，主要包括纖維變形、隧道效應(yīng)、裂紋擴(kuò)展、織物變形、電接觸和橋接。同時(shí)，還全面討論了通常作為重要數(shù)據(jù)擬合方法的相應(yīng)電阻預(yù)測(cè)模型，這些模型可以再現(xiàn)電阻變化趨勢(shì)，為傳感器性能提供指導(dǎo)。最后，總結(jié)了基于紡織品的應(yīng)變傳感器的多功能性，即多模式信號(hào)檢測(cè)、視覺(jué)交互、能量收集、熱管理和醫(yī)療。
今年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予了三位發(fā)現(xiàn)并開(kāi)發(fā)量子點(diǎn)的科學(xué)家，量子點(diǎn)也被稱為納米科學(xué)的種子。量子點(diǎn)是一種超微半導(dǎo)體顆粒，尺寸只有數(shù)納米（nm）大小，相比傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料更好的光學(xué)和電學(xué)性能，使其能夠快速分離電子和空穴。聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的環(huán)保型量子點(diǎn)光電傳感器的量子點(diǎn)吸收層約40 nm厚，但也顯示出出色的器件性能（比探測(cè)率：2.10 x 10¹² Jones，線性動(dòng)態(tài)范圍：102 dB，零偏壓下的光譜范圍：250-1050 nm）。理想的傳感器可以作為藥物載體，在心臟監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)將藥物送入皮膚。一些微小的纖維傳感器可以注入人體皮下，作為人體組織的支撐結(jié)構(gòu)和組織細(xì)胞生長(zhǎng)的介質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)醫(yī)療目的。然而，實(shí)現(xiàn)這些功能的前提條件是材料具有良好的生物相容性，而這是建立在日積月累的生物實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的。雖然紡織品傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域還很少受到關(guān)注，但預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，它將迎來(lái)一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期。這主要?dú)w功于材料和器件設(shè)計(jì)策略，材料包括Cu-In-Se量子點(diǎn)、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(shí)現(xiàn)出色的機(jī)械形變能力。此外，它在沒(méi)有外部電源的情況下也表現(xiàn)出良好的光檢測(cè)性能。這兩個(gè)特性對(duì)于可穿戴光電傳感器應(yīng)用來(lái)說(shuō)是巨大優(yōu)勢(shì)。大規(guī)模生產(chǎn)也是集成傳感器普及的關(guān)鍵一步。目前，大多數(shù)集成傳感器仍局限于實(shí)驗(yàn)室，依賴于耗時(shí)的制造技術(shù)和精密設(shè)備。大多數(shù)集成傳感器的長(zhǎng)度有限 (從厘米到米)。關(guān)于已實(shí)現(xiàn)連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)的集成傳感器的報(bào)道很少。因此，很難保證集成傳感器的性能始終如。雖然一步式熱拉伸顯示出大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，但熔體材料的選擇和預(yù)成型材料的分層組裝不利于通用生產(chǎn)平臺(tái)。有必要為連續(xù)制造建立相應(yīng)的自動(dòng)化生產(chǎn)平臺(tái)，這需要材料科學(xué)領(lǐng)域和機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域的協(xié)同努力。此外，還應(yīng)致力于研究制造參數(shù)與器件性能之間的關(guān)系，從而促進(jìn)集成器件的工業(yè)化生產(chǎn)。
此外，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)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(jié)合，開(kāi)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(duì)步行和跑步等運(yùn)動(dòng)情況也能穩(wěn)定地測(cè)量脈沖。
Ji-woong Yang教授說(shuō)：“通過(guò)控制這種環(huán)保型量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)針對(duì)量子點(diǎn)優(yōu)化的電荷轉(zhuǎn)移層，我們能夠制造出高性能的環(huán)保型量子點(diǎn)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(diǎn)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(yīng)用，例如激光雷達(dá)和紅外相機(jī)，以及可穿戴醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。”
量子點(diǎn)用于光電傳感器具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，因此基于量子點(diǎn)的光電傳感器獲得了廣泛研究。不過(guò)，大部分現(xiàn)有量子點(diǎn)光電傳感器的厚度都超過(guò)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(diǎn)材料在實(shí)踐中還無(wú)法應(yīng)用于可穿戴光電傳感器。
該聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已成功開(kāi)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(diǎn)的超高性能量子點(diǎn)光電傳感器。此前，人們普遍認(rèn)為，基于環(huán)保型量子點(diǎn)的光電傳感器性能較差。盡管如此，該聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)控制量子點(diǎn)的尺寸和組成，改善了環(huán)保型量子點(diǎn)的電學(xué)性能，開(kāi)發(fā)了一種適合量子點(diǎn)的新型有機(jī)-無(wú)機(jī)混合電荷轉(zhuǎn)移層，構(gòu)建了一種性能超越現(xiàn)有的有毒量子點(diǎn)光電傳感器的環(huán)保型量子點(diǎn)光電傳感器。
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