浙江大学林时胜教授团队报道了一种新型的基于水分子等极化液体为基础的石墨烯光电探测器。该项工作提出了液体基光电探测器的新型器件物理，利用石墨烯的柔性和高导电性实现了基于液体光电探测器的稳定高精度无创人体氧监测功能。相关成果以“Self-driven photo-polarized water molecule triggered graphene-based photodetector”为题发表在Research上。
Citation: Lin S, Liu C, Chen X, Zhang Y, Lin H, Yu X, Bo Y, Lu Y. Self-Driven Photo-Polarized Water Molecule-Triggered Graphene-Based Photodetector. Research 2023;6:Article 0202.
https://doi.org/10.34133/research.0202
研究背景
在智慧医疗向数字化发展的大背景下，新一代光电探测器具有广泛的应用前景和巨大的市场价值。石墨烯材料大载流子迁移率、优光学透明性和高机械强度的特征，令其成为新一代光电探测器研发的宠儿。
而一直以来，光电探测器大多采用固体半导体，很少采用液体作为传感单元，且传统的异质或同质PN结光电探测器制备所需设备昂贵且工艺较为复杂，如需要金属有机化学气相沉积 (MOCVD)、分子束外延 (MBE) 等先进真空外延设备，且这些设备对应的生长工艺对半导体PN结的材料晶格匹配有非常严格的要求，这限制了对不同光源探测所需半导体的选择。此外，光激发载流子需要外加偏压作为外加驱动力来收集载流子，这额外增加了驱动电路的成本和能源消耗。
研究进展
为解决这一问题，浙江大学林时胜教授团队报道了一种新型的基于水分子等极化液体为基础的石墨烯光电探测器。极性液体与N型半导体和石墨烯接触之后，由于费米能级和极性液体化学势的不同，界面处的极性液体会被极化，并在固-液两相界面感应出相应的电荷。在外部光源的辐照下，半导体中产生大量的空穴-电子对，这些光生载流子聚集在极性液体的两侧并输出瞬态光极化电流。在外部光源持续辐照下，更多的极性液体分子被聚集在两侧新的光生载流子极化，诱导水分子有序旋转，产生稳定的光极化电流，通过引入离子溶液进一步实现光极化电流的增加。并且，该项工作提出了液体基光电探测器的新型器件物理，利用石墨烯的柔性和高导电性实现了基于液体光电探测器的稳定高精度无创人体氧监测功能。
▲图1 时间分辨光极化电流响应与能带结构物理机制
林时胜教授课题组于2018年原创提出的动态二极管的物理框架(授权国家发明专利:CN201810739256.2, 授权美国发明专利:US Patent 11,522,468)，此次原创利用水分子的快速机械转动,研发出了利用分子尺度进行极性液体基的自驱动光电探测器。此类光电探测器有效避免了晶格匹配的需求，且从深紫外到近红外都实现了良好的探测性能。
▲图2 可见光和近红外波段光电探测器测试和人体无创血氧浓度测试
本工作为突破了异质结半导体光电探测器晶格匹配的限制提供了潜在的途径，可根据需要检测的波长自由选择合适的半导体与极性液体结合。本工作将具有宽带吸收的 GaAs集成到光电转换测量器件中，成功地对可见光和近红外波段进行了检测。作者从光电容积脉搏波中成功提取到了信号的交流和直流分量，其中交流分量主要来自探测器吸收的通过动脉流动血液的光，直接反映了血管直径的变化。最终实现了基于极性分子液体极化光电探测器的稳定无创人体血氧监测功能，获得的心率和血氧饱和度分别为每分钟 69.7-74.2 次和93.8-95.6%，这与商用血氧仪在同一时间内获得的数据非常接近。
未来展望
本次研究揭示了液体基高性能紫外光电探测器，在石墨烯/半导体异质结插入水等极性液体可以在光照下产生持久的光极化电流。在光照下，由于极性体化学势和半导体费米能级的不同，光生电子和空穴将不断地向固液界面移动，为解决探测器受限于晶格匹配限制和检测波长随意可调提供了新的思路。在未来的研究中，将着重于设计柔性可穿戴的健康监测设备进行重要补充。并解决目前限制异质结探测器晶格匹配的各种问题，并通过光电监测设备为人体无创健康评估提供各种关键信息。
作者简介
林时胜，浙江大学教授、博士生导师。以第一作者和通讯作者发表60余篇期刊论文，总体发表论文超100篇，SCI引用5000多次, 拥有第一发明人的授权发明专利25项, 连续三年入选爱思唯尔(Elsevier)中国高被引学者、2020中国生产力促进奖获得者、浙江省基金委“杰青”、国际先进材料协会Fellow、入选国家级人才。近年来，林时胜教授发明了水等液体基光电探测器、半导体动态二极管、高效石墨烯异质太阳电池等新型半导体器件。
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