Sensorn som reagerar på ljus, värme och beröring

Inom robotik, för proteser med känsel och för hälsoövervakning arbetar forskare runt om i världen för att ta fram elektronisk hud – flexibel, töjbar och med någon form av känsel.

Forskare vid Laboratoriet för organisk elektronik vid Linköpings universitet har slagit sina kloka huvuden ihop och kombinerat flera olika fysikaliska fenomen och material. Resultatet är en sensor som exempelvis applicerad på en arm kan känna av eller övervaka en förändring av kroppstemperatur, som reagerar på synligt ljus från solen och som även kan känna av en beröring av något varmt, exempelvis en hand.

– Vi har inspirerats av naturens egna metoder, säger Mina Shiran Chaharsoughi, doktorand inom organisk fotonik och nanooptik vid Laboratoriet för organisk elektronik,  Linköpings universitet.

Kombinerat material

Tillsammans med forskarkollegor vid Laboratoriet för organisk elektronik har hon tagit fram en sensor som kombinerar pyroelektriska och termoelektriska effekter med ett nanooptiskt fenomen.

I de pyroelektriska materialen uppstår en spänning då materialet värms upp eller kyls ner. Det är förändringen i temperatur som ger en signal, en snabb och stark signal men som avklingar nästan lika snabbt.
I de termoelektriska materialen uppstår istället en spänning när materialet får en kall och en varm sida. Signalen är dock långsam och det tar lite tid innan den blir mätbar. Värmen kan komma från kroppen eller från solen, bara det finns en svalare sida.

– Vi ville ta vara på det bästa av två världar och kombinerade därför en pyroelektrisk polymer med en termoelektrisk gel framtagen i ett tidigare projekt av Dan Zhao, Simone Fabiano med flera kollegor i gruppen för organisk nanoelektronik. Kombinationen ger en snabb och stark signal som också varar under lång tid, säger Magnus Jonsson, forskningsledare inom organisk fotonik och nanooptik, som lett studien.

Video (2.18)  Heat and light sensing with hybrid nanooptics

Förstärker signalen

Det visade sig också att de två materialen samverkar så att den gemensamma signalen dessutom förstärks.

De har även tagit hjälp av plasmoner, ett nanooptiskt fenomen.
– En plasmon uppkommer när ljus interagerar med metalliska nanopartiklar, som guld och silver. Det infallande ljuset gör att elektronerna i partiklarna böjar svänga i takt, oscillera. Den kollektiva oscillationen är själva plasmonen, berättar Magnus Jonsson.

I ett tidigare arbete har han och hans medarbetare visat att en elektrod i guld som försetts med nanohål effektivt absorberar ljus med hjälp av plasmoner. Det absorberade ljuset omvandlad sedan till värme. Med en sådan elektrod, en tunn guldfilm med nanohål, på den sida som vetter mot solen omvandlar sensorn även det synliga ljuset till en snabb och stadig signal.

Som bonus är sensorn även tryckkänslig.
– En signal uppstår när vi trycker på sensorn med ett finger, men inte när vi utsätter den för samma tryck med ett stycke plast. Den reagerar på värmen från handen, säger Magnus Jonsson.

Fotnot:

Förutom Mina Shiran Chaharsoughi och Magnus Jonsson, forskare inom nanooptik, har även Dan Zhao, Simone Fabiano, båda inom organisk nanoelektronik, och professor Xavier Crispin bidragit till resultaten som nyligen publicerats i Advanced Functional Materials.

Vetenskaplig artikel:

Thermodiffusion‐Assisted Pyroelectrics – Enabling Rapid and Stable Heat and Radiation Sensing (Mina Shiran Chaharsoughi, Dan Zhao, Xavier Crispin, Simone Fabiano. Magnus P. Jonsson) Advanced Functional Materials, april 2019.

Kontakt:

Magnus Jonsson, Laboratoriet för organisk elektronik, Linköpings universitet. magnus.jonsson@liu.se