Geavanceerde flexibele UV-sensoren voor draagbare zonbescherming

Hoewel onzichtbaar voor het menselijk oog, omringen UV-stralen ons in onze omgeving, en overmatige blootstelling kan gezondheidsproblemen veroorzaken, waaronder huidkanker en premature hujveroudering. De intensiteit van UV-stralen wordt typisch gerapporteerd via een index tijdens weerberichten. Een draagbaar apparaat, zoals een T-shirt of horloge dat de daadwerkelijke persoonlijke UV-blootstelling de hele dag monitort, zou een nuttige en nauwkeurigere gids zijn voor mensen die zonschade willen vermijden.

NTU-onderzoekers hebben gerapporteerd dat hun flexibele UV-lichtsensoren 25 keer meer responsief, en 330 keer gevoeliger waren dan bestaande sensoren, wat de prestatieniveau overschrijdt dat vereist is voor opto-elektronische toepassingen — licht-gebaseerde elektronica.

UV-lichtsensoren, ook wel fotodetectoren genoemd, worden gebruikt in een breed scala aan systemen, van smartphones tot biomedische imaging. De afgelopen decennia heeft gallium-nitride (GaN) anagezien als het ideale materiaal om UV-lichtsensoren te fabriceren, grotendeels vanwege zijn superieure eigenschappen in het emitteren, regelen, transmissie en detecteren van licht. Echter, de meeste GaN-gebaseerde UV-sensoren vandaag zijn gebouwd op starre lagen, wat hun gebruik in flexibele en draagbare producten beperkt.

Terwijl onderzoekers elders flexibele GaN-gebaseerde UV-sensoren hebben ontwikkeld, hebben ze het prestatieniveau dat vereist is voor state-of-the-art gebruik niet gehaald. Twee van hun grootste uitdagingen zijn lage responsiviteit en lage gevoeligheid. Het NTU-team overkwam deze beperkingen door flexibele UV-lichtsensoren te creëren op een halfgeleiderwafer van 8 inch in diameter, met behulp van vrijstaande einkristijne lagen van GaN en aluminium-gallium-nitride (AlGaN), gerangschikt met behulp van membranen die uit twee verschillende dunne halfgeleiderlagen bestaan (heterostructuur-membranen).

Dit type halfgeleiderstructuur, wat geproduceerd kan worden met bestaande industriële-compatibele methoden, stelt het materiaal in staat om gemakkelijk te buigen, wat het ideaal maakt voor gebruik in flexibele sensoren. Tegelijkertijd verandert de chemische samenstelling van het materiaal met diepte, wat betekent dat hoge prestaties behouden blijven zelfs wanneer het onder spanning komt.

In labtests, de NTU flexibele UV-lichtsensoren opereerden op hoge niveaus van responsiviteit en gevoeligheid zelfs terwijl ze onderworpen waren aan herhaalde buigingen en hoge-temperatuurtussen. Onder een bereik van externe spanningen (compressief, plat, en trekkracht), noteerden de sensoren een responsiviteitsniveau van tussen 529 – 1340 Ampere/Watt (eenheid gebruikt om de capaciteit van een apparaat te meten om een optisch signaal om te zetten in een elektrisch signaal), wat ongeveer 100 keer hoger is dan bestaande UV-sensoren. Deze responsiviteit bleef stabiel na 100 cycli van herhaalde buiging, wat zijn potentieel toont om geïntegreerd te worden in wearables.

"De hoog-presterende flexibele UV-lichtsensoren die we hebben gecreëerd, banen de weg voor een breed scala aan toekomstige draagbare toepassingen, zoals in persoonlijke slimme gezondheidsmonitoring, waar mensen hun UV-blootstellingsniveaus de hele dag nauwkeurig kunnen meten om hun risico op huidkanker te verminderen," zei Professor Kim Munho. Huidkanker, een van de meest voorkomende kankersoorten wereldwijd, wordt primair veroorzaakt door overmatige blootstelling aan UV-straling van de zon. In regio's zoals Australië, dat de hoogste huidkankercijfers ter wereld heeft, wordt geschat dat ongeveer 2 op de 3 mensen zullen worden gediagnosticeerd met huidkanker voordat ze de leeftijd van 70 bereiken, volgens data gecompileerd door het World Cancer Research Fund.

"Huidkanker kan voorkomen door de huid te beschermen tegen overmatige zonblootstelling. Dus een betrouwbaar draagbaar apparaat dat UV-blootstelling kan bijhouden, kan een handig hulpmiddel zijn om de aanbevolen blootstelling te monitoren, met name voor diegenen die veel tijd doorbrengen in het open air," zei het onderzoeks team.