南京大學余林蔚教授課題組在柔性紅外光體積描記術（PPG）脈搏探測研究應用取得新進展

柔性光電探測在生物傳感/檢測、可穿戴和個性化實時健康監測等領域中有廣泛的應用。其中人體心率及波形的實時監控是各類診斷中必不可少的重要生理信號。針對此需求，南京大學余林蔚教授課題組探索將三維架構的徑向結非晶硅鍺薄膜（3D?a-SiGe:H p-i-n radial junction）光電器件應用于人體脈搏探測。首次基于鋁箔上直接生長的超柔性徑向結光電探測單元，于手腕處成功實現了對脈搏信號的光體積描記術（PPG）檢測（探測光@800 nm）。區別于通常的血氧技術，該技術能直接探測由于動脈血容量變化而導致的血管變化（而不是基于血氧濃度變化），故而可以更精確地提取關鍵心跳信息，有望發展成為更舒適、更精確的人體實時脈搏監測技術。

圖1. 徑向結紅外光電探測器的制備流程以及脈搏信號探測示意圖

此工作基于課題組硅基徑向結薄膜光電器件的系列研究工作（見附錄），其中納米線結構通過低溫<350 °C “氣-液-固”(VLS)技術直接生長在鋁箔之上。由于硅納米線在“軟”的鋁箔表面所形成穩固的錨（anchor）接觸，對保護表面淀積薄膜的完整性起到了關鍵的穩定作用，避免了薄膜在受力時發生剝離、破裂、脫落，可以在力學特性不穩定的“軟”鋁箔基底上構建高品質、性能穩定的光電器件。進一步研究分析發現：徑向結所承受的應力主要集中在徑向結根部與平面部分，比徑向結頂部所承受的應力要大3~4個數量級。得益于3D硅米線架構，該器件即使彎曲1000次（彎曲半徑為10 mm）后，仍具有~140 mA/W@800 nm的響應度及超快的響應速率t_r=5.4 μs, t_f=17.6 μs （彎折前為3.6 μs/13.2 μs）。

圖2. 徑向結表面所承受應力分析

此工作近期發表于《先進功能材料》，Advanced Functional Materials (2021)?2107040 DOI: 10.1002/adfm.202107040。南京大學電子科學與工程學院博士生張少波同學為論文的第一作者，余林蔚教授、劉宗光副研究員為論文共同通訊作者。相關工作得到了電子科學與工程學院的徐駿教授、施毅教授、陳坤基教授的大力支持，以及國家自然科學基金項目支持，在此一并表示衷心感謝！

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107040?

課題組相關前期工作:

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2. Coupled boron-doping and geometry control of tin-catalyzed silicon nanowires for high performance radial junction photovoltaics

Shaobo Zhang, Ting Zhang, Luyao Cao, Zongguang Liu*, Junzhuan Wang, Jun Xu, Kunji Chen, Linwei Yu*

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4. Firmly standing three-dimensional radial junctions on soft aluminum foils enable extremely low cost flexible thin film solar cells with very high power-to-weight performance

Xiaolin Sun, Ting Zhang,Junzhuan Wang*, Fan Yang, Ling Xu, Jun Xu, Yi Shi, Kunji Chen, Pere Roca i Cabarrocas, Linwei Yu*

Nano Energy?53 (2018)83-90

5. Ultra-fast solar-blind ultraviolet detection by inorganic perovskite CsPbX3 quantum dots radial junction architecture

Jiawen Lu, Xuexi Sheng, Guoqing Tong, Zhongwei Yu, Xiaolin Sun, Linwei Yu*, Xiangxin Xu*, Junzhuan Wang, Jun Xu, Yi Shi, and Kunji Chen

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