Fortgeschrittene flexible UV-Sensoren für tragbaren Sonnenschutz

Obwohl für das menschliche Auge unsichtbar, umgeben uns UV-Strahlen in unserer Umwelt, und übermäßige Exposition kann Gesundheitsprobleme verursachen, einschließlich Hautkrebs und vorzeitiger Hautalterung. Die Intensität von UV-Strahlen wird typischerweise über einen Index in Wetterberichten berichtet. Ein tragbares Gerät, wie ein T-Shirt oder eine Uhr, das die tatsächliche persönliche UV-Exposition den ganzen Tag über überwacht, wäre ein nützlicherer und genauerer Leitfaden für Menschen, die Sonnenschäden vermeiden wollen.

NTU-Forscher berichteten, dass ihre flexiblen UV-Lichtsensoren 25-mal reaktionsfreudiger und 330-mal empfindlicher waren als bestehende Sensoren und die für optoelektronische Anwendungen – lichtbasierte Elektronik – erforderliche Leistungsstufe übertreffen.

UV-Lichtsensoren, auch als Photodetektoren bekannt, werden in einer breiten Palette von Systemen eingesetzt, von Smartphones bis hin zu biomedizinischer Bildgebung. In den letzten Jahrzehnten hat Galliumnitrid (GaN) an Bedeutung als ideales Material zur Fertigung von UV-Lichtsensoren gewonnen, largely due to its superior properties in emitting, regulating, transmitting, and sensing light. Die meisten GaN-basierten UV-Sensoren heute sind 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 das für State-of-the-Art-Einsatz erforderliche Leistungsniveau nicht erreicht. Zwei ihrer größten Herausforderungen sind niedrige Responsivität und niedrige Empfindlichkeit. Das NTU-Team überwand diese Einschränkungen, indem es flexible UV-Lichtsensoren auf einem 8-Zoll-Halbleiterwafer herstellte, باستخدام freistehende einkristalline Schichten aus GaN und Aluminium-Galliumnitrid (AlGaN), angeordnet mittels Membranen, die aus zwei verschiedenen dünnen Halbleiterschichten bestehen (Heterostruktur-Membranen).

Diese Art von Halbleiterstruktur, die mit bestehenden industriell kompatiblen Methoden gefertigt werden kann, ermöglicht es dem Material, leicht gebogen zu werden, was es ideal für den Einsatz in flexiblen Sensoren macht. Gleichzeitig ändert sich die chemische Zusammensetzung des Materials mit der Tiefe, was bedeutet, dass hohe Leistung auch unter Belastung beibehalten wird.

In Labortests arbeiteten die flexiblen UV-Lichtsensoren von NTU bei hohen Responsivitäts- und Empfindlichkeitsniveaus, selbst während sie mehrfachen Biege- und Hochtemperaturtests unterzogen wurden. Unter einer Reihe externer Dehnungen (kompressiv, flach und Zug) verzeichneten die Sensoren ein Responsivitätsniveau von 529–1340 Ampere/Watt (Einheit zur Messung der Fähigkeit eines Geräts, ein optisches Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln), was etwa 100-mal höher ist als bei bestehenden UV-Sensoren. Diese Responsivität blieb nach 100 Zyklen repetitiven Biegens stabil, was ihr Potenzial für die Integration in Wearables demonstriert.

„Die hochleistungsfähigen flexiblen UV-Lichtsensoren, die wir geschaffen haben, ebnen den Weg für eine breite Palette zukünftiger tragbarer Anwendungen, wie im persönlichen intelligenten Gesundheitsmonitoring, wo Menschen ihre UV-Expositionslevel den ganzen Tag über genau messen können, um ihr Hautkrebsrisiko zu reduzieren“, sagte Professor Kim Munho. Hautkrebs, einer der häufigsten Krebsarten weltweit, wird hauptsächlich durch übermäßige UV-Strahlung von der Sonne verursacht. In Regionen wie Australien, das die höchste Hautkrebsrate der Welt hat, wird geschätzt, dass etwa 2 von 3 Menschen bis zum Alter von 70 Jahren mit Hautkrebs diagnostiziert werden, laut Daten des World Cancer Research Fund.

„Hautkrebs kann durch Schutz der Haut vor übermäßiger Sonneneinstrahlung verhindert werden. Ein zuverlässiges tragbares Gerät, das UV-Exposition verfolgen könnte, wäre ein praktisches Werkzeug, um die empfohlene Exposition zu überwachen, besonders für diejenigen, die viel Zeit im Freien verbringen“, sagte das Forschungsteam.