Ultra-high performance flexibele ultraviolette sensoren voor gebruik in wearables

Hoewel onzichtbaar voor het menselijk oog, omringen UV-stralen ons in onze omgeving, en overmatige blootstelling kan gezondheidsproblemen veroorzaken, waaronder huidkanker en vroegtijdige huidveroudering. De intensiteit van UV-stralen wordt meestal gerapporteerd via een index tijdens weerberichten. Een draagbaar apparaat, zoals een T-shirt of horloge dat de werkelijke persoonlijke UV-blootstelling gedurende de dag in de gaten houdt, zou een nuttige en nauwkeurigere gids zijn voor mensen die schade door de zon willen voorkomen.

NTU-onderzoekers hebben gemeld dat hun flexibele UV-lichtsensoren 25 keer sneller reageerden en 330 keer gevoeliger waren dan bestaande sensoren, waardoor ze het prestatieniveau overtroffen dat vereist is voor opto-elektronische toepassingen - op licht gebaseerde elektronica.

UV-lichtsensoren, ook wel fotodetectoren genoemd, worden gebruikt in een breed scala aan systemen, van smartphones tot biomedische beeldvorming. In de afgelopen decennia heeft galliumnitride (GaN) bekendheid gekregen als het ideale materiaal om UV-lichtsensoren te fabriceren, grotendeels vanwege zijn superieure eigenschappen bij het uitzenden, reguleren, verzenden en waarnemen van licht. De meeste op GaN gebaseerde UV-sensoren zijn tegenwoordig echter gebouwd op stijve lagen, waardoor ze niet meer kunnen worden gebruikt in flexibele en draagbare producten.

Terwijl onderzoekers elders flexibele op GaN gebaseerde UV-sensoren hebben ontwikkeld, hebben ze niet het prestatieniveau bereikt dat vereist is voor state-of-the-art gebruik. Twee van hun grootste uitdagingen zijn lage responsiviteit en lage gevoeligheid. Het NTU-team overwon deze beperkingen door flexibele UV-lichtsensoren te maken op een halfgeleiderwafel met een diameter van 8 inch, met behulp van vrijstaande eenkristallijne lagen van GaN en aluminiumgalliumnitride (AlGaN), gerangschikt met behulp van membranen die bestaan ​​uit twee verschillende dunne halfgeleiderlagen (heterostructuurmembranen).

Dit type halfgeleiderstructuur, die kan worden vervaardigd met behulp van bestaande industrieel compatibele methoden, zorgt ervoor dat het materiaal gemakkelijk kan worden gebogen, waardoor het ideaal is voor gebruik in flexibele sensoren. Tegelijkertijd verandert de chemische samenstelling van het materiaal met de diepte, wat betekent dat hoge prestaties behouden blijven, zelfs als het onder spanning komt te staan.

In laboratoriumtests werkten de NTU flexibele UV-lichtsensoren met een hoge responsiviteit en gevoeligheid, zelfs terwijl ze werden onderworpen aan meerdere buig- en hoge temperatuurtests. Onder een reeks externe spanningen (samendrukkend, plat en trek) registreerden de sensoren een responsiviteitsniveau tussen 529 - 1340 Ampere/Watt (eenheid die wordt gebruikt om het vermogen van een apparaat om een ​​optisch signaal om te zetten in een elektrisch signaal) te meten. wat ongeveer 100 keer hoger is dan bestaande UV-sensoren. Deze responsiviteit bleef stabiel na 100 cycli van herhaaldelijk buigen, wat aantoont dat het potentieel kan worden geïntegreerd in wearables.

“De hoogwaardige, flexibele UV-lichtsensoren die we hebben gemaakt, maken de weg vrij voor een breed scala aan toekomstige draagbare toepassingen, zoals in persoonlijke slimme gezondheidsmonitoring, waar mensen hun UV-blootstellingsniveaus gedurende de dag nauwkeurig kunnen meten om hun risico op huidkanker”, zegt professor Kim Munho. Huidkanker, een van de meest voorkomende vormen van kanker wereldwijd, wordt voornamelijk veroorzaakt door overmatige blootstelling aan UV-straling van de zon. In regio's zoals Australië, waar het hoogste percentage huidkanker ter wereld voorkomt, wordt geschat dat bij ongeveer 2 op de 3 mensen huidkanker zal worden vastgesteld tegen de tijd dat ze de leeftijd van 70 jaar hebben bereikt, volgens gegevens die zijn verzameld door de World Fonds voor kankeronderzoek.

“Huidkanker kan worden voorkomen door de huid te beschermen tegen overmatige blootstelling aan de zon. Een betrouwbaar draagbaar apparaat dat de UV-blootstelling kan volgen, zou dus een handig hulpmiddel kunnen zijn om iemands aanbevolen blootstelling te controleren, vooral voor degenen die veel buiten zijn", aldus het onderzoeksteam.