Ultrahochleistungsfähige, flexible Ultraviolettsensoren zur Verwendung in Wearables

Obwohl sie für das menschliche Auge unsichtbar sind, umgeben uns UV-Strahlen in unserer Umgebung, und eine übermäßige Exposition kann gesundheitliche Probleme verursachen, einschließlich Hautkrebs und vorzeitiger Hautalterung. Die Intensität der UV-Strahlen wird typischerweise durch einen Index während der Wetterberichte gemeldet. Ein tragbares Gerät wie ein T-Shirt oder eine Uhr, das die tatsächliche persönliche UV-Exposition den ganzen Tag über überwacht, wäre ein nützlicher und genauerer Leitfaden für Menschen, die Sonnenschäden vermeiden möchten.

NTU-Forscher haben berichtet, dass ihre flexiblen UV-Lichtsensoren 25-mal reaktionsschneller und 330-mal empfindlicher als bestehende Sensoren waren und das Leistungsniveau übertrafen, das für optoelektronische Anwendungen – lichtbasierte Elektronik – erforderlich ist.

UV-Lichtsensoren, auch Fotodetektoren genannt, werden in einer Vielzahl von Systemen eingesetzt, von Smartphones bis hin zur biomedizinischen Bildgebung. In den letzten Jahrzehnten hat Galliumnitrid (GaN) als ideales Material zur Herstellung von UV-Lichtsensoren an Bedeutung gewonnen, hauptsächlich aufgrund seiner überlegenen Eigenschaften bei der Emission, Regulierung, Übertragung und Erfassung von Licht. Die meisten GaN-basierten UV-Sensoren sind heute jedoch auf starren Schichten aufgebaut, was ihre Verwendung in flexiblen und tragbaren Produkten einschränkt.

Während Forscher anderswo flexible GaN-basierte UV-Sensoren entwickelt haben, haben sie nicht das Leistungsniveau erreicht, das für den Einsatz auf dem neuesten Stand der Technik erforderlich ist. Zwei ihrer größten Herausforderungen sind geringe Reaktionsfähigkeit und geringe Empfindlichkeit. Das NTU-Team überwand diese Einschränkungen, indem es flexible UV-Lichtsensoren auf einem Halbleiterwafer mit einem Durchmesser von 8 Zoll schuf, wobei freistehende einkristalline Schichten aus GaN und Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN) verwendet wurden, die unter Verwendung von Membranen angeordnet waren, die aus zwei verschiedenen dünnen Halbleiterschichten bestehen (Heterostrukturmembranen).

Diese Art von Halbleiterstruktur, die mit bestehenden industrietauglichen Verfahren hergestellt werden kann, ermöglicht eine leichte Biegung des Materials, was es ideal für den Einsatz in flexiblen Sensoren macht. Gleichzeitig verändert sich die chemische Zusammensetzung des Materials mit der Tiefe, sodass auch unter Belastung eine hohe Leistungsfähigkeit erhalten bleibt.

In Labortests arbeiteten die flexiblen NTU-UV-Lichtsensoren mit hoher Empfindlichkeit und Empfindlichkeit, selbst wenn sie mehreren Biege- und Hochtemperaturtests unterzogen wurden. Unter einer Reihe von externen Belastungen (Druck, Flach und Zug) zeichneten die Sensoren einen Empfindlichkeitsgrad zwischen 529 und 1340 Ampere/Watt auf (Einheit zur Messung der Fähigkeit eines Geräts, ein optisches Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln). das ist etwa 100-mal höher als bei bestehenden UV-Sensoren. Diese Reaktionsfähigkeit blieb nach 100 Zyklen wiederholten Biegens stabil, was ihr Potenzial für die Integration in Wearables demonstriert.

„Die von uns entwickelten hochleistungsfähigen, flexiblen UV-Lichtsensoren ebnen den Weg für eine breite Palette zukünftiger tragbarer Anwendungen, beispielsweise in der persönlichen intelligenten Gesundheitsüberwachung, bei der Menschen ihre UV-Exposition den ganzen Tag über genau messen können, um ihr Risiko zu verringern Hautkrebs“, sagte Professor Kim Munho. Hautkrebs, eine der häufigsten Krebsarten weltweit, wird hauptsächlich durch übermäßige UV-Strahlung der Sonne verursacht. In Regionen wie Australien, das die höchste Hautkrebsrate der Welt aufweist, wird nach Angaben von World schätzungsweise bei etwa 2 von 3 Menschen Hautkrebs diagnostiziert, wenn sie das 70. Lebensjahr erreichen Krebsforschungsfonds.

„Hautkrebs kann vorgebeugt werden, indem die Haut vor übermäßiger Sonneneinstrahlung geschützt wird. Daher könnte ein zuverlässiges tragbares Gerät, das die UV-Exposition verfolgen kann, ein praktisches Werkzeug sein, um die empfohlene Exposition zu überwachen, insbesondere für diejenigen, die viel Zeit im Freien verbringen“, sagte das Forschungsteam.