В Технологическом университете Эйндховена (Нидерланды) создали тонкопленочный фотодиод с большой чувствительностью в ближнем инфракрасном диапазоне. Квантовая эффективность этого диода, то есть количество фотонов, преобразуемых в электроны, превышает 200%. Такая технология может применяться для удаленного контроля работы сердца и дыхания человека.
Дискретный и непрерывный контроль за жизнедеятельностью человека важен для диагностики состояния здоровья. Частота сердечных сокращений — один из ключевых показателей, который необходимо внимательно отслеживать.
В настоящее время мониторинг может проводиться без вмешательства в организм (например, с помощью электрокардиограммы) и включать оптические методы, такие как фотоплетизмография (PPG) и контроль за движением грудной клетки. Эти методы основаны на взаимодействии света с телом человека и позволяют проводить дистанционную и полностью бесконтактную оценку, которая более гигиенична, чем кожные устройства, и предпочтительна в случаях, когда требуется больший комфорт для пациента.
Оптические методы действуют так: подкожную ткань освещают зелёным, красным или ближним инфракрасным светом, а проходящий или отражённый свет регистрирует фотодатчик. По световым колебаниям определяют объёмные изменения артериальной крови во времени. Предпочтительнее использовать источник ближнего инфракрасного диапазона, поскольку его не видно и он безопасен для глаза; однако потребовался высокочувствительный к этому диапазону световых волн фотодетектор. С увеличением расстояния до пациента сигналы слабеют, а фоновый шум возрастает. Ученые создали новый тип фотодиода, который помогает преодолеть эти сложности.
Фотодиод, сочетающий в себе две технологии
Для правильной работы фотодиода необходимо соблюдение двух условий: минимализация тока, генерируемого в отсутствие света (темновой ток), а также способность различать фоновый свет («шум») и соответствующий инфракрасный свет. Однако эти два условия обычно сложно совместить.
Фотодиоды с тонким слоем, обработанные раствором, показывают лучший баланс качеств. Фотодиоды, как органические, так и новейшие перовскитные, лидируют в данном классе устройств, демонстрируя высокую эффективность преобразования света в электричество, быструю реакцию на свет и низкий уровень помех. «, — отмечают исследователи в журнале Эти устройства имеют перестраиваемый зазор, настраиваемый от ультрафиолета до ближней инфракрасной области изменением состава материала.
Четыре года назад Риккардо Оллеаро, исследователь из Института сложных молекулярных систем Технологического университета Эйндховена, начал работу над новым тандемным фотодиодом. Эта конструкция объединяет перовскитовые и органические фотоэлектрические элементы — подход, уже применяемый в современных солнечных батареях.
Б) График распределения оптического поля для видимых и ближних инфракрасных длин волн в двух оптически активных слоях.
Вместе с командой Центра Холста — исследовательского института, занимающегося беспроводными сенсорными технологиями, он создал диод с низким темновым током и высоким соотношением сигнал/шум (оптический), достигнув квантовой эффективности в 70%. Ученый был уверен, что этот показатель можно повысить, используя зелёный свет. Предыдущие исследования показали, что подсвечивание солнечных элементов дополнительным светом может изменять их квантовую эффективность и иногда повышать её. «, — сказал он в своем заявлении.
Расположение не мешает ощутить пульс.
Молодой исследователь оказался прав: под воздействием зеленого света фотодиод показал квантовую эффективность, превышающую 200% при длине волны 850 нм. Причины такого улучшения пока неясны, но команда считает, что дополнительный зеленый свет приводит к накоплению электронов в слое перовскита, который действует как накопитель заряда при поглощении инфракрасных фотонов в органическом слое. Каждый инфракрасный фотон, пройдя через материал и превратившись в электрон, порождает дополнительный электрон. Это обеспечивает эффективность свыше 200%. «, — объясняет Оллеаро.
Устройство, тонкое как сто лист бумаги, демонстрирует низкие темновые токи (менее 10^(-6) мА см-2), стабильную работу (более 8 часов) и устойчивость к фоновому свету, превышающую кремниевые датчики с оптической фильтрацией, сообщает команда.
Ученые оценили возможность применения разработанного фотодиода для медицинского наблюдения, измерив пульс и частоту дыхания с расстояния до 130 сантиметров. Хотели проверить, может ли устройство регистрировать слабые сигналы, например частоту сердечных сокращений или дыхания человека, при естественном освещении. Помещение выбрали светлое, солнечный день, шторы частично закрыты. Все получилось. «, — говорит Оллеаро.
Даже на расстоянии 130 см команда обнаружила мельчайшие изменения в количестве инфракрасного света, отраженного от диода, что соответствует изменениям кровяного давления. Оллеаро и его коллеги планируют повысить скорость работы своего устройства; также хотят испытать его в клинических условиях в сотрудничестве с проектом FORSEE — камерой наблюдения на основе искусственного интеллекта, предназначенной для обнаружения едва заметных изменений на лице или груди пациента, указывающих на возможные осложнения.