“織”就未來：石墨烯-鈣鈦礦光纖光電探測器，讓可穿戴科技更進一步

想象一下，未來我們穿的衣服不再僅僅是蔽體的工具，而是能夠感知周圍環境，監測身體狀況，甚至實現人機交互的智能系統。這正是可穿戴科技的魅力所在！而將光電器件，如晶體管和光電探測器（PDs），集成到可穿戴設備和紡織品中，是實現這一愿景的關鍵。

然而，可穿戴科技的發展面臨著巨大的挑戰，其中一個關鍵問題是如何讓器件在彎曲、拉伸等機械形變下保持穩定性能。傳統的器件大多依賴于硅基材料，難以滿足柔性可穿戴的需求。

石墨烯-鈣鈦礦開啟可穿戴科技新紀元

為了突破這一技術瓶頸，來自劍橋大學的 Andrea C. Ferrari 教授團隊在 Advanced Materials 期刊上發表了一項突破性研究，他們巧妙地將石墨烯和鈣鈦礦結合起來，制備出具有優異性能的可穿戴光纖光電探測器。

l  石墨烯纖維，開啟無限可能
該團隊首先使用化學氣相沉積 (CVD) 方法在銅箔上生長出單層石墨烯 (SLG)，并將其轉移到光纖上，然后將光纖繞轉石墨烯層，形成導電的光纖。再通過原子層沉積 (ALD) 技術沉積一層 Al2O3 薄膜作為介電層，并通過相同方法將另一層石墨烯卷繞在上面，形成器件的通道。最后，在通道層上沉積一層鈣鈦礦，作為器件的光敏元件。

l  石墨烯-鈣鈦礦材質特性整理
- 石墨烯，是單層碳原子組成的平面材料，厚度僅為一個原子層，是已知最薄的材料之一。
其優勢：

l  高導電性： 石墨烯具有優異的導電性能，電子遷移率在室溫下可以達到15000 cm2/V·s以上。使其成為制作導電纖維的理想材料。

l  柔性可彎曲且輕薄： 石墨烯作為二維材料非常輕薄，幾乎沒有重量的柔性特性使其能夠適應纖維的彎曲變形，不會影響器件性能。

l  化學穩定性： 石墨烯具有良好的化學穩定性，可以抵御環境中的腐蝕和氧化，從而保證器件的長期穩定性。

-鈣鈦礦的優勢

l  高光響應: 鈣鈦礦材料具有良好的光電特性，使其成為制作光電探測器的理想選擇。

l  可調諧能隙: 鈣鈦礦材料的能隙可以通過改變其成分進行調節，使其適用于不同的光譜范圍。

l  低成本: 鈣鈦礦材料可通過溶液發低溫制備，工藝簡單且成本低廉，使其具有經濟優勢。

該團隊制備的光纖光電探測器 (PD) 表現出優異的性能：

高速響應： 響應時間約為 9 毫秒，比現有的可穿戴光纖光電探測器快一個數量級。

高外部響應度: 在 488 nm 激光照射下，器件在 1 V 偏置電壓下具有約 22 kA/W 的外部響應度，比現有的可穿戴光纖光電探測器高兩個數量級。

優異的柔韌性： 在 4 mm 半徑彎曲下，器件的光電流保持率高達 80%，展現出優異的柔韌性。

良好的耐洗性： 經過 30 次 AATCC 標準洗滌測試后，器件的光電流保持率約為 72%，展現出良好的耐洗性。

未來的應用場景

這項研究為可穿戴光電探測器的開發開辟了新的道路，具有廣闊的應用前景：

l  醫療保健: 可穿戴光纖光電探測器可以集成到衣物中，監測心率、血壓等生理參數，為疾病診斷和健康管理提供更便捷的方式。

l  人機交互: 光纖光電探測器可以感知環境光線變化，從而實現人機交互，例如控制智能設備、照明系統等。

l  安全監測: 光纖光電探測器可以用于監測危險環境，例如檢測有害物質或危險氣體，保障人員安全。

挑戰與機遇

盡管石墨烯-鈣鈦礦光纖光電探測器展現出巨大的應用潛力，但其發展也面臨著一些挑戰：

穩定性: 鈣鈦礦材料的穩定性仍然是制約其應用的重要因素。如何在惡劣環境條件下保持鈣鈦礦材料的穩定性，是未來研究的重點。

大規模制備: 目前，石墨烯-鈣鈦礦光纖光電探測器的制備工藝比較復雜，難以實現大規模生產。

集成性： 將光纖光電探測器與其他電子器件和紡織品集成，實現更加復雜的功能，還需要進行進一步的研究。

總結

石墨烯-鈣鈦礦光纖光電探測器有望在可穿戴科技領域掀起新的革命。其優異的性能和良好的穩定性，將為可穿戴電子設備的設計和應用開拓新的可能性，為人們的生活帶來更多便利和安全保障。未來，克服現有的挑戰，將進一步推動該技術的發展，實現可穿戴科技的廣泛應用。

 
Fig. 7.

(B）光致發光光譜，分析: PVK在750 nm處有顯著的發光峰，而SLG/PVK的發光強度較低。

(C）光致發光壽命，分析: PVK的光致發光壽命較長，而SLG/PVK的衰減更快。

Fig. 9.

(a) 光纖PD的光譜噪聲功率。縱軸為噪聲密度（dBm/Hz），橫軸為頻率（Hz）。(b) 光纖PD的波長依賴性 ????????R ext  和吸收率。縱軸左側為 ????????R ext （A/W），右側為吸收率，橫軸為波長（nm）。

原文出處: ADVANCED MATERIALS

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