压力探头传感器基于钙钛矿量子点的有源腔光学压力传感器

  光学压力传感器具有抗电磁干扰、集成度高、响应快等特点，已广泛应用于信息通信、健康监测、生物医学治疗和军事探测等领域。现有光学压力传感器主要以无源腔光学传感器为主，受腔镜反射率的影响，该类传感器分辨率和光源利用率受限。相比无源腔光学传感器，具有自发光功能的有源光学传感器的一些优势尚待科学工作者们去开拓创新和有效开发。

  近日，北京理工大学钟海政教授和邓罗根教授合作报道了基于钙钛矿量子点的光学压力传感器。该传感器采用有源谐振腔策略，通过集成原位制备的CsPbBr3量子点聚合物薄膜与高反射率的布拉格反射镜，实现了半高全宽（FWHM）仅为0.9 nm的窄发射光谱。在外力作用下，该传感器表现出超高的灵敏度（∼2.2 nm/kPa），极好的线）以及出众的可回复性。该团队进一步展示了该传感器在聚合物薄膜的动态力学测量的应用，为低压和触觉表面压力感知提供了新技术路线。

  法布里珀罗（FP）型光学压力传感器具有简易的结构特征，在军用和民用领域得到广泛应用。典型的FP腔光学压力传感器的反射腔由两个分离的平行反射器组成，反射镜的间隔受到外部压力而产生变化。压力引起的距离变化可以与干涉谱的移动相关联。高反射率的腔镜可以有效提升干涉谱的分辨率，实现高精度和高灵敏度。然而传统FP腔光学压力传感器系统使用外部光源，如发光二极管(LED)、激光、白炽灯等，高反射率腔镜将会增加入射光的反射损耗，限制了光源利用率。

  针对以上问题，将自发光器件本身作为敏感元件的有源光学传感系统有望解决上述问题，实现高灵敏、高集成、低损耗的信息探测。钙钛矿量子点（PQD）是新一代颜色可调的发光材料，具有相对较窄的带宽，高光致发光量子产率（PLQYs）和低的激光阈值，适用于多种光学和光电子技术应用。

  该研究团队采用原位技术制备的钙钛矿量子点光学膜（PQDFs）不仅具有优异的光学性能，超高的表面平整度、高导热性，并且易于进行光子集成。将该钙钛矿量子点光学膜集成在高反射率布拉格反射器中以构成有源谐振腔，在外部光源的激励下，量子点的荧光在腔内多次反馈形成强烈干涉，产生高Q值（~580）的窄尖峰发射，实现高精度、高灵敏度的压力感应（图1）。

  采用该有源腔压力传感系统，该研究团队成功演示了聚合物薄膜在低压下的宏观动态力学性能的测量，弥补了传统纳米压痕法只能够实现探头处单点测量的不足（图2）。

  综上，该团队首次将钙钛矿量子点光学膜应用到光学压力传感应用中，开发了超高灵敏度、高精度的光学压力传感器，并将该传感器应用于聚合物薄膜力学性能的检测。灵敏度的提升始终是各类传感器所追求的目标，充分发挥钙钛矿量子点易制备、易集成的特点，使用更高柔性的薄膜材料，可以进一步提高其灵敏度。

  采用不同形态的有源腔，或者采用对不同物理量响应的发光材料，即可扩展成为多种信息的传感，例如温度、电磁场、湿度、折射率等。有源腔的方案对于微机电系统和微传感器领域的设计和应用具有重要意义。

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