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让机器人的眼睛更厉害——柔性紫外图像传感器

注:文末有本文作者科研思路分析


近年来,以机器人科技为代表的智能产业蓬勃兴起,人们一直期待未来能够研发出与人和生物更加接近的仿人仿生机器人。能否让机器人某些感官的探测范围(比如眼睛)超越人类,从而应用到更为广阔的领域成为人们关注的焦点。近日,中科院半导体所半导体超晶格国家重点实验室沈国震研究员(点击查看介绍)研究团队与香港科技大学范智勇教授(点击查看介绍)课题组合作,制备了一种高性能的柔性紫外图像传感器,为机器人的紫外视觉功能带来了可能性。


视觉系统是机器人系统的重要组成部分之一,而柔性图像传感器则是机器人视觉系统的核心组件之一。机器人可以通过图像传感器获取环境的二维图像,并通过视觉处理器进行分析和解释,从而转换为符号,让机器人辨识物体并确定其位置。目前机器人视觉系统多数以可见光视觉为主,极大地限定了机器人的应用范围以及场合。紫外视觉成像技术作为对紫外光的重要应用之一,在犯罪侦查、漏油探测、火灾监控以及高压线路检测等领域有着广泛的应用。然而传统的紫外图像传感器一般基于硅基等刚性衬底,决定了其本身无法弯曲、体积较大且不易携带,无法满足机器人视觉系统的应用需求。与硅基器件相比,柔性紫外图像传感器具有体积小、质量轻、可弯曲等特点,能够更好地与机器人的眼球相贴合,赋予机器人以紫外视觉功能,从而大大拓展机器人的应用领域。


沈国震团队中的博士生李禄东和娄正助理研究员采用在单晶Zn2SnO4(简称ZTO)纳米线表面修饰ZnO量子点的方法,成功研制出一种同时具备高光电导增益、低暗电流和快响应速度等特点的柔性紫外图像传感器。该器件制备在柔性PET塑料薄膜衬底上,具有优异的可弯曲性和机械稳定性。由于Zn2SnO4纳米线和ZnO量子点之间形成II型异质结,使其光电导增益高达1.1 × 107,比探测率为9.0 × 1017Jones,响应时间仅为47 ms。此外,在范智勇教授课题组的帮助下,他们还进行了相关的理论模拟,结果与实验数据吻合。在弯曲条件下,所研制的柔性紫外图像传感器能够有效地对紫外图像进行感应并重现,证明了其在高性能柔性紫外成像方面的潜在应用,也为机器人紫外视觉系统的实现带来了曙光。


这一成果近期发表在ACS Nano 上,文章的第一作者是中科院半导体研究所的博士研究生李禄东和香港科技大学的博士后顾磊磊


该论文作者为:Ludong Li, Leilei Gu, Zheng Lou, Zhiyong Fan, Guozhen Shen

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ZnO Quantum Dot Decorated Zn2SnO4 Nanowire Heterojunction Photodetectors with Drastic Performance Enhancement and Flexible Ultraviolet Image Sensors

ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b00749


导师介绍

沈国震

http://www.x-mol.com/university/faculty/45847

范智勇

http://www.x-mol.com/university/faculty/45848


科研思路分析


Q:这项研究最初是什么目的,或者说想法是怎么产生的?

A:我们的研究兴趣是研究开发高性能且绿色环保的柔性紫外光电探测器。一般来说,宽禁带的氧化物环境友好度高,对紫外光也很敏感,很适合作为紫外探测器的光敏材料。同时由于一维半导体纳米线具有非常大的长宽比,因此具有很好的韧性,其弯曲半径能够小到几微米,可以很好地承受宏观的弯曲应力而不被破坏,适用于制作柔性电子器件。所以在材料方面,我们选择一维氧化物半导体作为研究对象。然而,二元氧化物纳米线探测器的响应速度通常较慢,我们采用具有快速响应速度的三元氧化物Zn2SnO4。遗憾的是Zn2SnO4的光电导增益相对较弱,因此我们想到利用ZnO量子点修饰的方式来提高其光电导增益,从而得到同时具备高光电导增益、低暗电流和快响应速度等特点的柔性紫外光电探测器。单一器件制备成功后,我们又进一步研究制备了阵列器件用于紫外成像,从而得到柔性紫外图像传感器。


Q:研究过程中遇到哪些挑战?

A:该研究中最大的挑战是如何控制在纳米线表面生长适量的ZnO量子点。ZnO量子点过多会影响器件的响应速度,而且会增大器件的暗电流,过少则光电导增益提高不明显,找到优化的生长条件才能获得同时具备高光电导增益、低暗电流和快响应速度等性能的器件。我们团队在材料生长方面的经验积累起到了至关重要的作用。


Q:该研究成果有哪些重要应用?哪些领域的企业或研究机构最有可能从该成果中获得帮助?

A:该柔性紫外图像传感器对紫外光具有很高的探测灵敏度,因此在犯罪侦查、漏油探测、火灾监控以及高压线路检测等领域有着广泛的应用前景。该传感器具有体积小、质量轻、可弯曲等特点,在可穿戴设备方面也有很大的应用空间。又因为它能够更好地与机器人的眼球相贴合,赋予机器人以紫外视觉功能,从而大大拓展了机器人的应用领域。


在该研究中,我们对量子点修饰纳米线的增强机制进行了理论模拟和分析,进一步揭示了这种结构的增强机制,为获得其他材料体系的高性能柔性图像传感器提供了新的设计思路和可行性工艺。



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