中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
集成傳感與通信（ISAC）通過(guò)利用相同的頻譜和硬件設施，將傳感和通信功能整合在一起，代表了下一代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)（超越5G和6G）的前沿技術(shù)。然而，當前使用射頻（RF）的無(wú)線(xiàn)技術(shù)受到頻譜稀缺（頻率范圍1：450-6000 MHz；頻率范圍2：24250-52600 MHz）以及低數據傳輸速度（約1 Gbps）和有限傳感能力的高功耗的制約?？梢?jiàn)光（VIS）和近紅外（NIR）光譜范圍覆蓋400至800太赫茲（THz），為超高速光無(wú)線(xiàn)通信（OWC）提供了巨大帶寬，速度高達100 Gbps。此外，憑借其優(yōu)越的穿透能力，近紅外光已被廣泛用于無(wú)創(chuàng )生命體征監測、成像以及遠程監控。利用近紅外光的這些特性，來(lái)實(shí)現光學(xué)集成傳感與通信（O-ISAC），可以有效解決當前無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的頻譜和數據傳輸速度瓶頸，同時(shí)提供超越傳統無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的增強傳感功能。此外，柔性O-ISAC可以無(wú)縫貼合皮膚以接收全方位光，從而實(shí)現持續健康監測和高速信息傳輸。但是，作為O-ISAC核心組件的傳統無(wú)機光電探測器（PD）通常受到機械剛性大、接收面積小、吸收效率弱、帶隙固定等因素的限制，這阻礙了其在柔性O-ISAC中的應用。因此，亟待開(kāi)發(fā)柔性高性能光電探測器并搭載復雜的器件架構，以滿(mǎn)足柔性O-ISAC應用需求。
近日，為了解決這些問(wèn)題，南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院與中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院組成的科研團隊提出并制造了一種柔性自供能O-ISAC?；诟咝阅芙t外有機光電探測器（OPD）的柔性自供能O-ISAC，可在環(huán)境光、可見(jiàn)光和近紅外光下實(shí)現同步、準確的光學(xué)傳感和高速光通信。相關(guān)研究成果以“High‐Speed Flexible Near‐Infrared Organic Photodetectors for Self‐Powered Optical Integrated Sensing and Communications”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。
O-ISAC的原理圖和概念如圖 1a 所示，搭載了用于并行光傳感和通信的柔性有機光電探測器。O-ISAC巧妙地將兩個(gè)具有相同光活性層的近紅外有機光電探測器相集成。研究人員通過(guò)將窄帶隙BTPSV-4Cl NFA引入到PCE-10:BTPSV-4F中，精細調控膜形態(tài)，有效減少了陷阱態(tài)和能量無(wú)序，并顯著(zhù)提高靈敏度和響應速度。
圖1 O-ISAC概念圖及近紅外有機光電探測器材料的化學(xué)結構
為了有效抑制暗電流并增強有機光電探測器的光探測性能，研究人員采用了一種倒置器件架構，如圖2a所示。該有機光電探測器表現出低暗電流密度和高外部量子效率（EQE）。
圖2 近紅外有機光電探測器的結構及光電性能
該近紅外有機光電探測器展示了與硅光電探測器相當的光電探測范圍（300至1100 nm），D*超過(guò) Jones，在自供能模式下1050 nm處的-3 dB截止頻率超過(guò)1 MHz，1000 nm以上近紅外II區域溶液處理自供能有機光電探測器中速度最快的。在環(huán)境光（光強度3.17 ）下工作27000個(gè)周期后，器件可以保持超過(guò)99%的初始光響應。
圖3 近紅外有機光電探測器的響應速度及對光通信的影響
隨后，研究人員制備了柔性近紅外有機光電探測器，該器件具備優(yōu)異的機械穩定性。該柔性近紅外有機光電探測器在經(jīng)過(guò)500個(gè)周期的機械彎曲后，性能退化微不足道，光響應衰減小于0.1%，相關(guān)結果如圖4所示。
圖4 柔性近紅外有機光電探測器的照片及測試結果
最后，研究人員搭建了基于高性能近紅外有機光電探測器的柔性自供能O-ISAC，并將其集成到可穿戴設備中進(jìn)行了實(shí)驗。實(shí)驗結果顯示，通過(guò)集成規則和半透明有機光電探測器來(lái)制造柔性O-ISAC，在環(huán)境可見(jiàn)光和近紅外照明條件下實(shí)現了同時(shí)準確監測生命體征和高速數據傳輸，無(wú)需消耗能量。
圖5 柔性自供能O-ISAC的工作原理及實(shí)驗結果
研究人員相信，基于高速近紅外有機光電探測器的新型自供能O-ISAC將徹底改變ISAC在下一代無(wú)線(xiàn)技術(shù)中的應用。特別對于智能醫療、遠程手術(shù)、自動(dòng)駕駛汽車(chē)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及國防安全等領(lǐng)域的可穿戴電子設備來(lái)說(shuō)，將是革命性的進(jìn)步。
