“织”就未来：石墨烯-钙钛矿光纤光电探测器，让可穿戴科技更进一步

想象一下，未来我们穿的衣服不再仅仅是蔽体的工具，而是能够感知周围环境，监测身体状况，甚至实现人机交互的智能系统。这正是可穿戴科技的魅力所在！而将光电器件，如晶体管和光电探测器（PDs），集成到可穿戴设备和纺织品中，是实现这一愿景的关键。

然而，可穿戴科技的发展面临着巨大的挑战，其中一个关键问题是如何让器件在弯曲、拉伸等机械形变下保持稳定性能。传统的器件大多依赖于硅基材料，难以满足柔性可穿戴的需求。

石墨烯-钙钛矿开启可穿戴科技新纪元

为了突破这一技术瓶颈，来自剑桥大学的 Andrea C. Ferrari 教授团队在 Advanced Materials 期刊上发表了一项突破性研究，他们巧妙地将石墨烯和钙钛矿结合起来，制备出具有优异性能的可穿戴光纤光电探测器。

l  石墨烯纤维，开启无限可能
该团队首先使用化学气相沉积 (CVD) 方法在铜箔上生长出单层石墨烯 (SLG)，并将其转移到光纤上，然后将光纤绕转石墨烯层，形成导电的光纤。再通过原子层沉积 (ALD) 技术沉积一层 Al2O3 薄膜作为介电层，并通过相同方法将另一层石墨烯卷绕在上面，形成器件的通道。最后，在通道层上沉积一层钙钛矿，作为器件的光敏元件。

l  石墨烯-钙钛矿材质特性整理
- 石墨烯，是单层碳原子组成的平面材料，厚度仅为一个原子层，是已知最薄的材料之一。
其优势：

l  高导电性： 石墨烯具有优异的导电性能，电子迁移率在室温下可以达到15000 cm²/V·s以上。使其成为制作导电纤维的理想材料。

l  柔性可弯曲且轻薄： 石墨烯作为二维材料非常轻薄，几乎没有重量的柔性特性使其能够适应纤维的弯曲变形，不会影响器件性能。

l  化学稳定性： 石墨烯具有良好的化学稳定性，可以抵御环境中的腐蚀和氧化，从而保证器件的长期稳定性。

-钙钛矿的优势

l  高光响应: 钙钛矿材料具有良好的光电特性，使其成为制作光电探测器的理想选择。

l  可调谐能隙: 钙钛矿材料的能隙可以通过改变其成分进行调节，使其适用于不同的光谱范围。

l  低成本: 钙钛矿材料可通过溶液发低温制备，工艺简单且成本低廉，使其具有经济优势。

该团队制备的光纤光电探测器 (PD) 表现出优异的性能：

高速响应： 响应时间约为 9 毫秒，比现有的可穿戴光纤光电探测器快一个数量级。

高外部响应度: 在 488 nm 激光照射下，器件在 1 V 偏置电压下具有约 22 kA/W 的外部响应度，比现有的可穿戴光纤光电探测器高两个数量级。

优异的柔韧性： 在 4 mm 半径弯曲下，器件的光电流保持率高达 80%，展现出优异的柔韧性。

良好的耐洗性： 经过 30 次 AATCC 标准洗涤测试后，器件的光电流保持率约为 72%，展现出良好的耐洗性。

未来的应用场景

这项研究为可穿戴光电探测器的开发开辟了新的道路，具有广阔的应用前景：

l  医疗保健: 可穿戴光纤光电探测器可以集成到衣物中，监测心率、血压等生理参数，为疾病诊断和健康管理提供更便捷的方式。

l  人机交互: 光纤光电探测器可以感知环境光线变化，从而实现人机交互，例如控制智能设备、照明系统等。

l  安全监测: 光纤光电探测器可以用于监测危险环境，例如检测有害物质或危险气体，保障人员安全。

挑战与机遇

尽管石墨烯-钙钛矿光纤光电探测器展现出巨大的应用潜力，但其发展也面临着一些挑战：

稳定性: 钙钛矿材料的稳定性仍然是制约其应用的重要因素。如何在恶劣环境条件下保持钙钛矿材料的稳定性，是未来研究的重点。

大规模制备: 目前，石墨烯-钙钛矿光纤光电探测器的制备工艺比较复杂，难以实现大规模生产。

集成性： 将光纤光电探测器与其他电子器件和纺织品集成，实现更加复杂的功能，还需要进行进一步的研究。

总结

石墨烯-钙钛矿光纤光电探测器有望在可穿戴科技领域掀起新的革命。其优异的性能和良好的稳定性，将为可穿戴电子设备的设计和应用开拓新的可能性，为人们的生活带来更多便利和安全保障。未来，克服现有的挑战，将进一步推动该技术的发展，实现可穿戴科技的广泛应用。

 
Fig. 7.

(B）光致发光光谱，分析: PVK在750 nm处有显著的发光峰，而SLG/PVK的发光强度较低。

(C）光致发光寿命，分析: PVK的光致发光寿命较长，而SLG/PVK的衰减更快。

Fig. 9.

(a) 光纤PD的光谱噪声功率。纵轴为噪声密度（dBm/Hz），横轴为频率（Hz）。(b) 光纤PD的波长依赖性 𝑅𝑒𝑥𝑡R ext  和吸收率。纵轴左侧为 𝑅𝑒𝑥𝑡R ext （A/W），右侧为吸收率，横轴为波长（nm）。

原文出处: ADVANCED MATERIALS

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