Ein flexibler, ultradünner optischer Sensor, der Kohlenstoffnanoröhren verwendet, um Licht in elektrische Signale umzuwandeln, wurde von vorgestellt Rei Kawabata und Kollegen. Das Team der japanischen Universität Osaka sagt, dass ihr Gerät zu besseren optischen Bildgebungstechnologien führen könnte.

Optische Sensoren spielen in modernen Bildgebungstechnologien eine entscheidende Rolle. Bisher basieren herkömmliche Sensoren weitgehend auf herkömmlichen Halbleiterelementen, um Licht in elektrische Signale umzuwandeln. Um Schäden zu vermeiden, werden diese Geräte jedoch in der Regel auf dicken, stabilen Brettern montiert, was die Formen der Oberflächen, die sie aus der Nähe abbilden können, einschränkt.

Um das Problem zu lösen, haben Forscher begonnen, die Möglichkeiten zu erkunden, die blattförmige Sensoren aus flexiblen organischen Materialien bieten. Im Prinzip können diese Sensoren komplexere Oberflächen umschließen und diese unabhängig von ihrer Form abbilden. Doch bisher haben diese Sensoren nicht annähernd die Fähigkeiten ihrer starreren, anorganischen Gegenstücke erreicht.

Instabile Transistoren

„Die Erkennungsbandbreite herkömmlicher optischer Flächensensoren ist gering“, erklärt Osaka Teppei Araki. „Das macht es für sie schwierig, langwellige elektromagnetische Wellen (Infrarot bis Terahertz) zu erkennen, die für thermische und chemische Analysen benötigt werden.“ Darüber hinaus ist bekannt, dass die für ihren Betrieb erforderlichen flexiblen organischen Transistoren bei Lichteinstrahlung instabil werden.

Um diese Herausforderungen zu meistern, untersuchte das Team die einzigartigen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren. Sie sind nicht nur äußerst flexibel; Aufgrund ihrer einzigartigen molekularen Struktur sind sie außerdem hervorragend geeignet, Licht in elektrische Energie umzuwandeln.

Um diese Vorteile zu nutzen, entwickelten die Forscher eine Technik zum Drucken von Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Fotodetektoren auf Dünnschichtsubstrate. Um ihre Lichtempfindlichkeit weiter zu verbessern, wurden die Nanoröhren mit Chemikalien dotiert.

Fotosensorblatt

„Durch die Integration von Kohlenstoffnanoröhren-Fotodetektoren und organischen Transistoren in einem Array auf einem ultradünnen Polymersubstrat haben wir einen blattförmigen Fotosensor entwickelt, der bei Raumtemperatur und an Luft Stabilität, Flexibilität und hohe Empfindlichkeit aufweist“, sagt Araki.

Das Team stellte fest, dass seine Sensoren bei der Erkennung eines breiten Spektrums von sichtbarem Licht bis hin zu Terahertz-Strahlung sehr effizient sind. Durch die Integration einer Abschirmstruktur – die die Flexibilität nicht beeinträchtigte – stellten sie außerdem sicher, dass die flexiblen Transistoren des Geräts auch bei Lichteinstrahlung zuverlässig funktionieren. Dadurch konnte das Gerät Sensorsignale um den Faktor 10 verstärken.

Das Gerät wird als hochflexibler Lichtsensor beschrieben, der für eine Vielzahl von Bildgebungsanwendungen geeignet ist. „Wir haben einen dünnen und weichen optischen Sensor in Blattform entwickelt, der das zu messende Objekt nicht beschädigt“, beschreibt Araki.

Bluetooth-Integration

Anschließend integrierte das Team ein Bluetooth-Modul mit Sensor, wodurch das Gerät aus der Ferne genutzt werden kann.

„Wir haben ein drahtloses Messsystem realisiert, das nicht nur Licht, sondern auch elektromagnetische Wellen im Zusammenhang mit Wärme und Molekülen problemlos erkennen und abbilden kann“, sagt Araki.

Die Forscher nutzten einen Prototyp ihres Sensors in zwei erfolgreichen Demonstrationen. Eine davon bestand darin, die von menschlichen Fingern abgegebene Wärme zu spüren; Die andere Methode besteht darin, eine warme Zuckerlösung zu überwachen, während sie durch ein dünnes Rohr fließt. Das Team zeigte außerdem, dass das Gerät sehr langlebig ist, da es auch nach dem Zusammenfalten zu einer Kugel noch gut funktionierte.

Ihr Ziel ist es nun, das Gerät so zu verbessern, dass es in einem breiten Anwendungsspektrum eingesetzt werden kann. „Unser drahtloses Messsystem erweitert die Möglichkeiten zerstörungsfreier Prüfmethoden“, sagt Araki. „Dazu könnten berührungslose Bildgebung und einfache Bewertungen der Flüssigkeitsqualität gehören, ohne dass Proben entnommen werden müssen. Es wird erwartet, dass es auch in tragbaren Geräten und tragbaren Bildgebungsgeräten verwendet wird.“

Die Forschung ist beschrieben in Fortgeschrittene Werkstoffe.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/carbon-nanotubes-make-optical-sensor-flexible-and-ultrathin/