合肥工业大学于永强,苏州大学揭建胜AMT：应用于PPG脉搏和血压监测的高势垒Ti3C2Tx/Si微结构肖特基结自驱动光电探测器

创新点：合肥工业大学微电子学院于永强课题组和苏州大学揭建胜课题组利用二维MXenes材料功函数可调等特性，构建了具有高肖特基势垒高度的硅基自驱动光电探测器，应用于PPG传感，获得了连续可靠和稳定特征的PPG脉搏波，并基于单路PPG的特征信号提取算法实现了心率（bpm）和血压（BP）的连续准确监测 。

关键词：Advanced Materials Technologies，高势垒肖特基二极管、硅微结构、MXene、脉搏监测、血压监测

随着老龄化社会的加剧，心脑血管病成为威胁人们生命健康的重要因素之一，如何有效且方便的测量心脑血管生理参数成为近期医疗器件方面的研究热点。在各种医疗监测系统中，具有低成本、轻体积、无创的光电容积描记技术 （photoplethysmography，PPG）是未来连续性健康监测的最佳选择，并已开发出相关可穿戴医疗电子产品，但仍面临低功耗情况下获取高质量的PPG脉搏波等重要关键问题。光电探测器是PPG技术的核心传感器，高性能自驱动光电探测器将有利于提高生理参数的监测准确度和穿戴设备的续航力。硅基肖特基结二极管（Si-SBD）光电探测器因其结构简单、制备工艺成熟以及与CMOS工艺具有较好的兼容性得到了广泛研究。由于自驱动Si-SBD具备低功耗等特性，在基于PPG技术的可穿戴设备中具有重要应用前景。Si-SBD的性能在很大程度上取决于其肖特基势垒高度（ΦB），但半导体表面高的态密度以及传统金属沉积技术带来的费米能级钉扎效应，严重制约了Si-SBD的性能。近年来，具有高导电性、高透光率的二维过渡金属碳化物和氮化物（MXenes），因其功函数可调和表面无悬挂键等特性，可以作为构建高性能、自驱动Si-SBD的理想材料体系。然而，高性能MXene/Si-SBD光电探测器的制备仍面临着ΦB难以提升及平面硅光吸收低等挑战。

合肥工业大学微电子学院于永强课题组和苏州大学揭建胜课题组合作，通过控制Ti₃C₂T_x表面官能团，提高所合成的单层Ti₃C₂T_x纳米片的功函数，同时采用六边形硅微孔阵列结构增强器件对光的吸收，进而利用简单的Ti₃C₂T_x溶液旋涂方法构建了Ti₃C₂T_x/Si六角微孔阵列（SiHMA）SBD，实现了器件ΦB和光电响应特性的有效提升，进一步探索了器件在PPG脉搏和血压监测领域的应用。相关结果发表在Advanced Materials Technologies上。

该工作制备的Ti₃C₂T_x/SiHMA vdW SBD肖特基势垒高度高达1.07 eV，为目前报道的Si-SBD最高值。由于器件高的势垒高度，自驱动情况下的器件响应度达到302 mA/W，探测率高达5.4×10¹³ Jones ，性能大幅超过当前报道的二维材料/硅光电二极管。此外，具有优异光电特性的自驱动Ti₃C₂T_x/SiHMA vdW SBD被用于PPG传感器，获得了连续可靠的和具有稳定特征的指尖 PPG 信号。基于单路PPG的特征信号提取算法，进一步实现了与商用袖带血压计相当的心率（bpm）和血压（BP）生理参数的提取。

研究者相信，此项研究将会为构建具有高肖特基势垒高度的Si-SBD提供新的思路，而且高性能自驱动Si-SBD将在基于单路PPG方法的可穿戴健康监测设备中具有巨大的应用潜力。

WILEY

论文信息：

High-Barrier-Height Ti3C2TX/Si Microstructure Schottky Junction-Based Self-Powered Photodetectors for Photoplethysmographic Monitoring

Longmei Song†, Enze Xu†, Yongqiang Yu*, Jianyong Jie, Yu Xia, Shirong Chen, Yang Jiang, Gaobin Xu, Dachuang Li and Jiansheng Jie*

Advanced Materials Technologies

DOI：10.1002/admt.202200555

点击左下角 “ 阅读原文 ” ，查看该论文原文。

Advanced

Materials

Technologies

期刊简介

Advanced Materials Technologies创刊于2016年4月， 是一本刊载技术相关的衔接材料科学和实际应用的高质量期刊，着重于基于新材料的先进工程、器件设计和新技术。Advanced Materials Technologies于2017年初被Web of Science收录，最新的影响因子为8.856。

AdvancedScienceNews

Wiley旗下科研资讯官方微信平台

长按二维码 关注我们

分享前沿资讯｜聚焦科研动态

发表科研新闻或申请信息分享，请联系：[e-mail]