CN107112372A - 换能装置和用于提供这种装置的方法 - Google Patents

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Abstract

一种装置和方法，该装置包括：电荷载体，其中电荷载体包括连续的三维框架，三维框架包括遍及框架的多个腔；遍及电荷载体被提供的传感器材料；其中传感器材料被配置为对检测到的输入进行换能并且根据检测到的输入改变电荷载体的电荷传导率。

Description

换能装置和用于提供这种装置的方法
技术领域
本公开的示例涉及换能装置和用于提供这种装置的方法。特别地，其涉及一种换能装置和方法，其中传感器材料遍及电荷载体被提供。
背景技术
包括传感器材料的换能器是已知的。传感器材料通常被布置成将检测到的参数转换成可测量的电子响应。例如，包括由薄层的量子点覆盖的石墨烯场效应晶体管(GFET)的光电探测器是已知的。这使入射光能够被转换成随后可被测量的电荷。使这些装置能够有效操作是有用的。
发明内容
根据本公开的各种但不一定全部的示例，可以提供一种装置，包括：电荷载体，其中电荷载体包括连续的三维框架，三维框架包括遍及框架的多个腔；遍及电荷载体被提供的传感器材料；其中传感器材料被配置为对检测到的输入进行换能并且根据检测到的输入改变该电荷载体的电荷传导率。
在一些示例中，传感器材料可以包括量子点。
在一些示例中，电荷载体的三维框架可以从二维材料形成。二维材料可以形成腔的边界。
在一些示例中，传感器材料可以在腔内被提供。
在一些示例中，电荷载体可以包括石墨烯泡沫。
在一些示例中，电荷载体可以被配置为在任何方向上传导电荷。
在一些示例中，检测到的输入可以包括入射电磁辐射，温度变化，压力或形状变化中的至少一个。电磁辐射可以包括X射线。
在一些示例中，电荷载体可以在绝缘基板上被提供。
在一些示例中，电荷载体可以在两个电极之间被提供。
在一些示例中，可以提供包括如上所述的装置的晶体管。晶体管可以包括薄膜晶体管。
根据本公开的各种但不一定全部的示例，可以提供一种方法，包括：提供电荷载体，其中电荷载体包括连续的三维框架，该三维框架包括遍及框架的多个腔；提供遍及电荷载体的传感器材料；其中传感器材料被配置为对检测到的输入进行换能并且根据检测到的输入改变该电荷载体的电荷传导率。
在一些示例中，传感器材料可以包括量子点。
在一些示例中，电荷载体的三维框架可以从二维材料形成。二维材料可以形成腔的边界。
在一些示例中，传感器材料可以在腔内被提供。
在一些示例中，电荷载体可以包括石墨烯泡沫。
在一些示例中，电荷载体可以被配置为在任何方向上传导电荷。
在一些示例中，检测到的输入可以包括入射电磁辐射，温度变化，压力或形状变化中的至少一个。电磁辐射可以包括X射线。
在一些示例中，该方法还可以包括在绝缘基板上提供电荷载体。
在一些示例中，该方法还可以包括在两个电极之间提供电荷载体。
根据本公开的各种但不一定全部的示例，可以提供如所附权利要求所要求保护的示例。
附图说明
为了更好地理解对于理解具体实施方式有用的各种示例，现在将仅通过示例的方式对附图进行参考，在附图中：
图1示出了一种装置；
图2示出了一种可以包括装置的晶体管；
图3示出了量子点的响应率；
图4示出了一种方法；
图5示出了一种方法；以及
图6示出了一种方法。
具体实施方式
附图示出了装置1，其包括：电荷载体3，其中电荷载体3包括连续的三维框架，该三维框架包括遍及框架的多个腔7；遍及电荷载体3被提供的传感器材料5；其中传感器材料5被配置为对检测到的输入进行换能并且根据检测到的输入来改变电荷载体3的电荷传导率。
装置1可以用于将检测到的输入换能为电输出信号。在一些示例中，检测到的输入可以是入射电磁辐射。电磁辐射可以包括X射线。在一些示例中，电磁辐射可以包括来自光谱的其它部分的辐射，例如红外光或者可见光。在其他示例中，装置1可以被配置为检测其他输入，例如温度、压力、形状或其他物理参数的变化。
图1示出了根据本公开的示例的装置1。装置1包括电荷载体3和传感器材料5。传感器材料5遍及电荷载体3而分布。
电荷载体3可以包括可以被配置为传导电荷的任何传导材料。传导材料可以具有高载体迁移率。在一些示例中，传导材料可以对传导材料周围区域中电荷密度的变化敏感。在一些示例中，传导材料可以提供用于从传感器材料5到电荷载体3的快速电荷转移。
在一些示例中，电荷载体3包括连续的三维框架，该三维框架包括遍及框架的多个腔。电荷载体3的三维框架可以从二维材料形成。二维材料可以包括任何合适的二维材料，诸如石墨烯。二维材料可以包括单层材料、双层材料或多层材料。多层材料可以包括多个层，不过依然可以形成薄材料。
在一些示例中，三维结构可以是无定形的，不过二维材料可以规则地被构造。这可以使电荷载体能够以纳米尺度被构造，但是以微米的尺度无定形。
电荷载体3可以是连续的，因为三维框架可以在任何方向上相同或相似。形成框架构件的材料之间的连接可以遍及三维层在任何方向延伸。电荷载体3可以与层状相反地连续，使得在三维框架的结构中不存在不连续性。这可以使电荷载体3能够被配置成在任何方向上传导电荷。
二维材料可以形成腔7的边界。腔7可以遍及电荷载体而分布。腔7可以被布置成提供二维材料的非常大的表面积。在一些示例中，二维材料可以被布置成形成泡沫状结构。
在一些示例中，二维材料可以包括诸如石墨烯的材料。在一些示例中，电荷载体3可以包括诸如石墨烯泡沫或任何其它合适材料的材料。可以使用任何合适的技术形成石墨烯泡沫，诸如在泡沫铜上的化学沉积和使用诸如氯化铁的蚀刻剂来蚀刻铜。可以形成石墨烯泡沫和/或泡沫内腔7的尺寸，以便优化装置1对检测到的输入的响应。例如，石墨烯泡沫的尺寸可以根据传感器材料5的电荷转移特性和场效应特性来选择。
在其它示例中，可以通过用传感器材料5涂覆石墨烯油墨来形成基于石墨烯的电荷载体3。石墨烯油墨包括溶液中的石墨烯片。溶液中的复合物继而可以被干燥以形成以三维结构布置的石墨烯层网络。
传感器材料5可以包括可以被配置为将检测到的输入信号转换成电子响应的任何材料。在一些示例中，电子响应可以包括电荷载体3内的电荷分布的变化。在一些示例中，电子响应可以包括可以被转移到电荷载体3的电荷。所提供的电子响应可以取决于使用的传感器材料5和待检测的输入。
传感器材料5可以遍及电荷载体3被提供。传感器材料5可以遍及电荷载体3被提供，使得传感器材料5在电荷载体3内的所有位置处与电荷载体3接触。在一些示例中，传感器材料5可以被配置为在电荷载体3内的所有位置处邻近电荷载体3。传感器材料5可以被配置为与电荷载体3接触，使得在电荷载体3内的所有点存在从传感器材料5到电荷载体3的高效的电荷转移。电荷转移可以例如发生在传感器材料包括量子点的示例之中。
在图1中示意性示出的示例中，传感器材料5在电荷载体3的腔7内被提供。应当理解，传感器材料5的其它布置可以在其他示例中被提供。例如，在一些示例中，传感器材料5可以被提供，从而涂覆或至少部分地涂覆形成三维框架的二维材料。
在一些示例中，传感器材料5可以包括量子点。量子点可以包括在所有三维中存在量子限制的纳米晶体。在一些示例中，量子点可以被配置为响应于检测到的输入而产生电荷变化。
在其它示例中，传感器材料5可以包括半导体纳米晶体。半导体纳米晶体可以形成为任何合适的形状，诸如棒、星、球体或其他形状。半导体纳米晶体不需要在任何或者所有维度上显示量子限制，因此不需要是量子点。
使用的量子点可以取决于待检测的物理参数。在一些示例中，量子点可以被配置为感测入射电磁辐射。检测到的辐射的波长可以取决于量子点的大小和/或用于量子点的材料。例如，PbS量子点可用于检测诸如X射线或可见光的入射电磁辐射。石墨量子点或其他合适的材料可用于检测红外电磁辐射。
在一些示例中，传感器材料5可以包括热电材料，其可随温度变化而产生电场变化。合适的热电材料的示例包括聚偏二氟乙烯(PVDF)，P(VDF-三氟乙烯)，诸如LiTaO 3或GaN的陶瓷或任何其它合适的材料。热电材料可以被提供作为量子点，或者可以被提供作为更大的晶体或作为涂覆电荷载体3的膜。
在一些示例中，传感器材料5可以包括压电材料，当向电荷载体3施加应力时或者如果电荷载体3的形状改变时该压电材料可产生电场变化。合适的压电材料的示例包括聚偏二氟乙烯(PVDF)陶瓷，诸如锆钛酸铅(PZT)、BaTiO3、ZnO或任何其它合适的材料。压电材料可以被提供作为量子点，或者可以被提供作为更大的晶体或作为涂覆电荷载体3的膜。
传感器材料5可以被布置为对物理参数进行响应，物理参数诸如为电磁辐射、温度、压力、应力或任何其它合适的参数。检测到的输入引起传感器材料5电特性的变化。在一些示例中，其可能引起电子-空穴对的创建。这可以增加电荷载体3内的电荷数目。在其它示例中，检测到的输入可以引起传感器材料5周围区域中的电场变化。这可以影响电荷载体3内的电荷密度和电荷载体3内的电荷的迁移率。这可以产生电荷载体3的传导率的可测量的变化。
在一些示例中，装置1可以在绝缘基板上被提供。装置1可以在传导电极之间被提供。电极可以被印刷或以其它方式被沉积在基板上。在一些示例中，装置1可以形成晶体管的一部分。
晶体管21的一个示例在图2中被示意性地示出，在图2的示例中，晶体管21是薄膜晶体管。在图2的示例中，晶体管被配置为检测入射的X射线23。应当理解，在其他示例中，晶体管21可以被配置为对其他输入进行响应。
在图2的示例中，晶体管21形成在基板25上。基板25可以包括绝缘材料。在图2的示例中，基板25包括玻璃。应当理解，在本公开的其他示例中可以使用其他材料。例如，在一些情况下，晶体管21可以形成在柔性基板25上。这可以使柔性或可弯曲的换能装置能够被提供。在这种示例中，基板25可以包括任何合适的柔性材料，例如聚合材料。
晶体管21包括多个电极27。电极27可以由任何传导材料制成，传导材料诸如为金属、氧化铟锡或任何其它合适的材料。电极27可以被布置成提供源电极、漏电极和栅电极。在一些示例中，电极27可以由柔性材料形成以使柔性或可弯曲的换能装置能够被提供。
晶体管21包括如上参照图1所述的装置1。装置1在晶体管内形成通道。在示例中，其中通道可以包括诸如石墨烯的半金属。装置1包括遍及电荷载体3分布的量子点。应当理解，在本公开的其他示例中可以使用其它传感器材料。设备1可以在两个电极27之间被提供，从而可以测量由入射的X射线23引起的传导率的变化。装置1的厚度可以具有100微米量级。电荷载体3内的腔7的大小可以是大约200nm。应当理解，在使用不同的传感器材料5和/或待检测的不同输入的其它示例中可以使用不同的尺寸。
晶体管21还包括电介质层29。电介质层29在基板25和装置1的电荷载体3之间被提供。
晶体管21还包括在电极27之间被提供的有源半导体层。在图2的示例中，有源半导体层包括n型掺杂硅31的层和氢化无定形硅(a-Si：H)33的层。其他材料可用于本公开的其它示例中。
晶体管21还包括钝化层35，其被配置为涂覆晶体管21并保护晶体管免受环境参数的影响。钝化层35可以封装晶体管21的各层。钝化层35对于待检测的参数可以是透明的。例如，在图2的示例中，钝化层35可以允许X射线23通过，但是可以被配置为防止流体或其它污染物到达晶体管21。
在图2的示例中，晶体管21被配置为检测X射线23。装置1可以包括遍及电荷载体3分布的对X射线敏感的量子点。在一些示例中，量子点可以包括PbS。在其它实施例中，可以使用其它材料，诸如PbSe、PbTe、CdS、CdSe、ZnO、ZnS、CZTS、Cu2S、Bi2S3、Ag2S、HgTe、CdHgTe、InAs、InSb或任何其他合适的材料。可以选择量子点的大小以确保量子点对X射线有响应。量子点可以是任何合适的形状。
当X射线23入射到晶体管21上时，这会引起量子点内的电子的激发。由于入射X射线的能量很高，因此可以跨越量子点内的带隙而激发电子以创建电子-空穴对。一个电荷可以转移到电荷载体3。在该示例中，空穴被转移到石墨烯。剩余电荷在量子点内被捕获，并且用于改变量子点周围的电场。电场的这种变化也改变了石墨烯的传导率。
由于量子点遍及装置1与电荷载体3接触，所以这允许将所产生的空穴快速转移到电荷载体3。由于电荷载体3由具有高电荷迁移率的材料制成，诸如石墨烯，这就导致在发生重组之前空穴可以被转移通过电荷载体3。这允许将X射线23到电荷的高效换能。在一些示例中，可以选择用于传感器材料5或量子点的材料，使得传感器材料5和电荷载体3的工作功能对准。这可以允许电荷从传感器材料被转移到电荷载体3。
上述示例提供用于电荷的装置1和晶体管21的示例，其允许X射线23直接被转换成电荷。这消除了对X射线检测器中的闪烁体的需要。这为X射线检测提供了许多优点，因为它消除了与闪烁体有关的问题，例如效率低下和非线性。它还减少了制造X射线检测器所需的部件数量，因此可以使X射线检测器更容易制造。
电荷载体3内的量子点的厚度可以被配置以优化X射线的吸收效率。图3显示了PbS量子点层的响应率在100nm附近得到优化。因此，围绕二维材料的100nm的PbS涂层是用于吸收X射线23最高效的布置。
应当理解，传感器材料3的最佳厚度可以取决于如下因素，诸如用于传感器材料5的材料、用于将传感器材料5附接到电荷载体3的配体、待检测的参数或任何其他因素。
在本公开的示例中，存在传感器材料5(诸如量子点)可以在电荷载体3内被提供的不同方式。在一些示例中，量子点的大小可以被确定以便安装在由二维材料形成的腔7之内。在这种示例中，腔7的大小可以被确定为大约200nm宽。这使半径为100nm的量子点能够安装在腔7之中。这为形成腔7边界的二维材料有效地给出了100nm的量子点涂层。
在其他示例中，腔7可以大于200nm。在这样的示例中，可以提供100nm的涂层以覆盖或至少部分覆盖形成三维电荷载体3结构的二维材料。
利用诸如石墨烯的二维结构来形成三维电荷载体3结构允许二维材料的有利特性被保持。特别地，允许高电荷迁移率、对周围电场的敏感性和原子薄度被保持。
使用二维材料来形成三维结构为传感器材料5接触二维材料提供了大的有效表面积。这确保传感器材料5的薄层可以遍及电荷载体3分布。由于传感器材料5的层非常薄，其允许到电荷载体3的高效的电荷转移。传感器材料5的薄层减少了传感器材料5内的电荷重组的可能性。然而，由于传感器材料5覆盖了大的表面积，因此这也允许入射的X射线23或其他输入参数的高效吸收。
在一些示例中，可以选择传感器材料5以确保与电荷载体3的材料的能带对准，以便在传感器材料5和电荷载体3之间使能高效的电荷转移。在一些示例中，可以选择用以附接传感器材料5的配体以在传感器材料5和电荷载体3之间使能高效的电荷转移。例如，可以使用短链配体。
应当理解，在本公开的其他示例中，可以检测其他参数。例如，在一些示例中，传感器材料5可以包括热电或压电材料。当设备1经受温度变化或施加的应力或张力时，这些材料可以产生电场变化。由于传感器材料5遍及三维框架与二维电荷载体材料3接触，因此电场的这种变化影响了电荷载体3内的电荷的迁移率和密度。这可以产生装置1的电导率的可测量的变化。在这样的示例中，石墨烯可以用作电荷载体3内的材料，因为其对场效应非常敏感。在传感器材料5包括热电或压电材料的示例中，在传感器材料5和电荷载体3之间不需要任何电荷转移。
可以根据如下等式计算需要的电荷载体3层的厚度：
其中Io是入射光束的强度，I是从样品中出射的光束的强度，x是质量厚度，是质量衰减系数。
该方程可以重写为：
用作传感器材料5的材料的质量衰减系数可以是已知的。这随后可以用于计算所需量子点电荷载体复合物层的厚度。
作为一个示例，PbS量子点对于在30KeV的X射线辐射的入射光束具有使几乎所有的X射线被吸入材料中需要这给出了质量厚度x＞0.183g/cm2。PbS具有密度7.6/cm3，因此这需要24μm的厚度。
图4示出了可用于提供诸如上述装置1的装置的方法。该方法包括，在框41提供电荷载体3，其中电荷载体3包括连续的三维框架，三维框架包括遍及框架的多个腔7。该方法还包括在框43，遍及电荷载体3中提供传感器材料5；其中传感器材料5被配置成将检测到的输入换能成电荷并且根据检测到的输入改变电荷载体3的电荷传导率。
图5和图6还示出了可用于提供装置1(诸如图1和图2的装置)的方法。该方法可以用于形成诸如晶体管21或薄膜晶体管的设备。
在图5的示例中，该方法包括，在框50，在基板25上沉积电触点27。基板25可以包括诸如玻璃或任何其它合适材料的绝缘材料。电触点27可从任何传导材料形成，诸如金属、氧化铟锡或任何其它合适的材料。应当理解，用于基板25和电触点27的材料可以包括柔性材料。
可以使用任何合适的技术将电触点27沉积在基板25上。
在框51，在沉积的电触点27之上提供传导油墨层。这可以在基板25的表面上提供传导迹线。
在框52，在基板25上沉积一层石墨烯泡沫。石墨烯泡沫被沉积成与传导油墨接触，使得当传导油墨干燥时，在传导油墨和石墨烯泡沫之间建立电连接。石墨烯泡沫形成装置1的电荷载体3。应当理解，在本公开的其它示例中，可以使用其它材料用作电荷载体3。
在框53，将量子点加到石墨烯泡沫中。量子点可以直接沉积到石墨烯泡沫结构中。可以使用任何合适的技术将量子点添加到石墨烯泡沫中。在图5的具体示例中，石墨烯泡沫利用量子点被功能化，该量子点通过微流体泵被添加。
量子点可以溶解在溶剂中。使用的溶剂可以取决于用于电荷载体3的材料和用于量子点的材料。
使用的溶液可以被选择为与石墨烯泡沫具有低界面能量。电荷载体3被布置成使得石墨烯泡沫或者其它电荷载体材料具有非常大的表面积。这提供了需要被溶液覆盖的大的表面积。溶液可以被选择为使得电荷载体3和溶液之间的界面能量足够低，以使其在热力学上有利于溶液填充石墨烯泡沫或其它电荷载体3的腔7。溶液可以具有低的表面张力。所使用的溶剂可以根据诸如Hansen理论和Hildebrand理论来选择。合适溶剂的示例包括N-甲酰基哌啶(NFP)，N-甲基吡咯烷酮(NMP)，N-乙基-吡咯烷酮(NEP)或任何其它合适的溶剂。
在框54，进行配体替换过程。量子点可以用长链配体合成以提供稳定的结构。在量子点使石墨烯功能化之后，长链配体可以用短链配体替换。短链配体可以使能从量子点到石墨烯泡沫的高效电荷转移。在图5的示例中，配体替换过程使用微流体泵。
在框55，进行薄膜封装。这可以包括将设备1封装在钝化层35中。可用于钝化层35的材料的示例包括SiO2或任何其它合适的材料。
在框56，整个装置被封装在屏障材料中。屏障材料可以包括在装置1周围提供不可透过屏障的任何材料。屏障材料可以被选择为可对于一些参数可透过，但对其它参数是不可透过的。例如，屏障材料可以对于X射线或其他电磁辐射是可透过的，但是对于诸如流体和气体之类的污染物是不可透过的。在一些示例中，屏障材料可以包括玻璃。
在一些示例中，阻挡材料可以包括吸气材料。吸气材料可以包括可与玻璃内的污染物(例如流体或气体)反应以防止污染物到达设备1的任何材料。
在一些示例中，该方法可以包括进一步的过程，诸如量子点-石墨烯泡沫复合物的清洗以便去除过量的未结合配体。
沉积量子点、配体交换和清洗的过程可以通过由编程序列控制的微流体泵进行。可以控制微流体泵以便依次递送每份溶液。
图6示出了用于形成装置1的备选示例。图6的方法与图5的方法的不同之处在于，在图6中，在将石墨烯泡沫添加到基板之前，将其与量子点组合。
在图6的示例中，该方法包括，在框60，将电触点沉积在基板上，并且在框61，在电触头之上提供传导油墨层。这可以与图5的方法的框50和51相同或相似。
在框62，将量子点添加到石墨烯泡沫中。可以使用任何合适的技术将量子点添加到石墨烯泡沫中。在图6的具体示例中，石墨烯泡沫利用通过微流体泵添加的量子点而被功能化。
在框63，进行配体替换处理。在图6的示例中，配体替换过程使用微流体泵。配体替换过程可以与上面参考图5描述的过程相同或相似。
在框64，量子点-石墨烯泡沫沉积在基板上。石墨烯泡沫被沉积成与传导油墨接触，使得当传导油墨干燥时，在传导油墨和石墨烯泡沫之间建立电连接。
在框65，进行薄膜封装，并且在框66，整个设备被封装在屏障材料诸如玻璃中。这些过程可以如关于图5所述。
应当理解，形成装置1的其它方法可以用在本公开的其他示例中。例如，在图5和图6的方法二者中，量子点从液体溶液中被添加到石墨烯泡沫。在其它示例中，可以通过使用任何合适的蒸汽沉积技术从气相沉积固体晶体。
在一些示例中，配体替换可以在溶液中进行。在这样的示例中，量子点可以用长链配体合成并溶解在溶液中。短链配体可以替换溶液中的长链配体。在配体替代之后，量子点5可以被添加到石墨烯泡沫或其它电荷载体3。
在一些示例中，在溶液中进行配体替换可能是有益的，因为这可以使大面积设备能够被创建。这也避免了沉积后量子点层的体积的大的变化，这减少了量子点层内的裂纹。
在其它示例中，石墨烯泡沫可以使用自组装单层被功能化。自组装单层可以被布置为对于量子点上的配体具有比石墨烯更高的亲和性。在量子点已经被添加到石墨烯泡沫之后，可以去除自组装单层。
在图5和图6的示例中，传感器材料5包括量子点。应当理解，在其他示例中可以使用其他类型的传感器材料5。
上述示例提供了一种复合结构，其包括遍及电荷载体3被提供的传感器材料5。复合结构可以提供输入参数到电荷的高效换能。该结构是灵活的，因为它可以用于根据用作传感器材料5的材料来检测任何物理参数。
复合的量子点-电荷载体3结构允许在形成电荷载体3的框架的材料的大表面积上提供量子点。这允许检测到的参数的高效吸收和到电荷载体3的高效电荷转移二者。
本文中使用术语“包括”，具有包含而非排他性的含义。也就是说，对X包括Y的任何参考指示X可以仅包括一个Y或可以包括多于一个Y。如果意图使用具有排他含义的“包含”，则将通过提及“仅包含一个...”或通过使用“由...组成”来在上下文中使其明确。
在此简短描述中，已经对各种示例进行了参考。与示例相关的特征或功能的描述指示在该示例中存在那些特征或功能。在文本中使用术语“示例”或“例如”或“可以”表示无论是否明确地陈述，这些特征或功能至少存在于所描述的示例中，无论是否被描述为示例，并且它们可以但不一定存在于一些或所有其他示例中。因此，“示例”，“例如”或“可以”是指一类示例中的特定示例。该示例的属性可以仅是该示例的属性，也可以是该类的属性或类的子类的属性，包括类中的一些但不是全部示例。因此，隐含地公开了参考一个示例而没有参考另一个示例描述的特征在可能的情况下可以在该另一个示例中使用，但不一定必须在该另一个示例中使用。
尽管在前面的段落中已经参考各种示例描述了本发明的实施例，但是应当理解，在不脱离所要求保护的本发明的范围的情况下，可以对给出的示例进行修改。
上述描述中描述的特征可以以除了明确描述的组合之外的组合而使用。
尽管已经参照某些特征描述了功能，但是这些功能可以由其他特征来执行，无论是否被描述。
尽管已经参考某些实施例描述了特征，但是在其他实施例中也可以存在这些特征，无论是否描述。
尽管在前述说明书中努力提请注意被认为特别重要的本发明的特征，但是应当理解，申请人要求保护关于上文所指和/或在附图中所示的任何可专利的特征或特征的组合，不论是否特别强调了这一点。

Claims (18)

1.一种装置，包括：
电荷载体，其中所述电荷载体包括连续的三维框架，所述三维框架包括遍及所述框架的多个腔；
遍及所述电荷载体被提供的传感器材料；
其中所述传感器材料被配置为对检测到的输入进行换能并且根据所述检测到的输入改变所述电荷载体的传导率。
2.根据任一项前述权利要求所述的装置，其中所述传感器材料包括量子点。
3.根据任一项前述权利要求所述的装置，其中所述电荷载体的所述三维框架从二维材料形成。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述二维材料形成所述腔的边界。
5.根据任一项前述权利要求所述的装置，其中所述传感器材料在所述腔内被提供。
6.根据任一项前述权利要求所述的装置，其中所述电荷载体包括石墨烯泡沫。
7.根据任一项前述权利要求所述的装置，其中所述电荷载体被配置为在任何方向上传导电荷。
8.根据任一项前述权利要求所述的装置，其中所述检测到的输入包括入射电磁辐射。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述电磁辐射包括X射线。
10.根据任一项前述权利要求所述的装置，其中所述检测到的输入包括温度变化。
11.根据任一项前述权利要求所述的装置，其中所述检测到的输入包括压力。
12.根据任一项前述权利要求所述的装置，其中所述检测到的输入包括形状变化。
13.根据任一项前述权利要求所述的装置，其中所述电荷载体在绝缘基板上被提供。
14.根据任一项前述权利要求所述的装置，其中所述电荷载体在两个电极之间被提供。
15.一种晶体管，包括根据任一项前述权利要求所述的装置。
16.根据权利要求15所述的晶体管，其中所述晶体管是薄膜晶体管。
17.一种方法，包括：
提供电荷载体，其中所述电荷载体包括连续的三维框架，所述三维框架包括遍及所述框架的多个腔；
提供遍及所述电荷载体的传感器材料；
其中所述传感器材料被配置为对检测到的输入进行换能并且根据所述检测到的输入改变所述电荷载体的传导率。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述传感器材料包括量子点。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11604209B2 (en) 2019-05-17 2023-03-14 Rosemount Aerospace Inc. Pitot heater health monitoring system
US11825676B2 (en) * 2020-09-23 2023-11-21 Boe Technology Group Co., Ltd. Quantum dot light emitting device and application
WO2023157742A1 (ja) * 2022-02-18 2023-08-24 富士フイルム株式会社 分散液、量子ドット膜の製造方法、光検出素子の製造方法およびイメージセンサの製造方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120175584A1 (en) * 2008-01-14 2012-07-12 Weinberg Medical Physics Llc Structures for radiation detection and energy conversion using quantum dots
US20130084496A1 (en) * 2011-09-30 2013-04-04 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Power storage device
US20130187056A1 (en) * 2012-01-23 2013-07-25 University Of Nebraska-Lincoln Stress reduction for pillar filled structures

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9291723B2 (en) * 2013-06-27 2016-03-22 Savannah River Nuclear Solutions, Llc Instrument for assaying radiation
US9797779B2 (en) * 2013-12-05 2017-10-24 National University Of Singapore Pyroelectric detector using graphene electrode
US11121334B2 (en) * 2014-06-26 2021-09-14 Trustees Of Tufts College 3D graphene transistor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120175584A1 (en) * 2008-01-14 2012-07-12 Weinberg Medical Physics Llc Structures for radiation detection and energy conversion using quantum dots
US20130084496A1 (en) * 2011-09-30 2013-04-04 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Power storage device
US20130187056A1 (en) * 2012-01-23 2013-07-25 University Of Nebraska-Lincoln Stress reduction for pillar filled structures

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HONGYAN YUE等: "《ZnO Nanowire Arrays on 3D-Hierachical》", 《ACS NANO》 *
RONGQING XU等: "《Facile Fabrication of Three-Dimensional Graphene Foam/Poly(dimethylsiloxane) Composites and Their Potential Application as Strain Sensor》", 《ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES》 *

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