上海大學Nano-Micro Letters：分裂環結構化的全無機鈣鈦礦光電探測器陣列應用于物聯網

一、導讀

探測距離遠且響應快速的光電探測器是構建非接觸式人機交互界面的重要媒介。在眾多光電材料中，全無機鈣鈦礦具有優異的光電性能和較好的耐濕、氧性，使其成為高性能光電探測器的優選材料。但全無機鈣鈦礦的結晶性難以有效控制，并且隨著器件的陣列化、柔性化、微型化進程不斷推進，迫切需要一種簡單、高效和低成本的制備策略來激發鈣鈦礦微器件在光電傳感領域的商業化潛質。

二、成果掠影

近日，上海大學巫金波課題組與哈佛大學/麻省理工張興才課題組等通過在疏液修飾的襯底表面進行激光刻蝕的方法，開發了一種新穎的分裂環型親液圖案，該圖案可以高效地捕獲鈣鈦礦前驅體液滴，并輔助液滴發生第二次去潤濕過程，將大量的液滴定向輸運至較小的沉積位點，實現CsPbBr₃晶膜的致密、均勻沉積。在此基礎上，他們巧妙利用了納秒脈沖激光的熱效應，以同時制備分裂環型親液圖案及對應的圖案化電極，極大地簡化了陣列式微器件的生產工藝。基于此分裂環型鈣鈦礦光電探測器，本研究將探測器陣列作為人機交互界面，應用于柔性可穿戴器件進行數字的書寫識別、汽車中控屏幕進行三維手勢控制以及非接觸場景中進行機器人的遠程操控，充分展示了該交互界面的廣泛應用。該研究成果以“Split-Ring Structured All-Inorganic Perovskite Photodetector Arrays for Masterly Internet of Things”為題，以封面文章發表在國際著名期刊Nano-Micro?Letters上。博士研究生石博日為第一作者，上海大學材料基因組工程研究為第一署名單位。上述研究也得到了浙江省之江實驗室重點研究項目、國家自然科學基金以及河套深港科技創新合作區項目的資助和支持。

三、核心創新點

該團隊對分裂環結構的潤濕性、蒸發自組裝及光電子器件進行了系統研究。提出的分裂環親液圖案可以將前驅體溶液定向輸運至面積更小的位點進行沉積，提高了圖案化鈣鈦礦晶膜的致密性和均勻度。此外，開發了一種雙功能激光蝕刻方案，可以高通量的一步制備分裂環親液圖案及相應的圖案化電極陣列。最后，基于鈣鈦礦光電探測器陣列的非接觸式人機界面已成功應用于可穿戴設備、汽車顯示器、機器人遠程控制等。

四、數據概覽

圖1.總覽（a）人機交互界面的結構示意圖。（b）分裂環結構化的鈣鈦礦光電探測器單元示意圖。（c）該界面在人機交互中的應用。（d）該界面與傳統的按鈕相比不易機械疲勞和傳播病毒。

圖2.?分裂環型親液圖案輔助去潤濕的機制（a）分裂環型鈣鈦礦晶膜的制備流程圖。（b）鈣鈦礦前驅體溶液的去潤濕過程。（c）分裂環型液滴的三維形貌。（d）鈣鈦礦前驅體溶液的蒸發結晶過程。（e–g）幾種典型圖案的去潤濕以及沉積結果。

圖3.?分裂環結構化鈣鈦礦晶膜陣列的高通量制備?（a）雙功能激光蝕刻的機理。鈣鈦礦晶膜的（b-d）形貌及成分表征、（e）X射線衍射譜、（f）吸收光譜和發射光譜、（g）時間分辨的熒光衰減曲線。

圖4. 分裂環型光電探測器的性能（a-c）鈣鈦礦光電探測器的結構及光電響應機制示意圖。（d）不同偏置電壓下的I-t曲線。（e）不同光功率密度下的I-V曲線。（f）響應度、比探測率、光電流與光功率密度的關系。（g）光電探測器的光譜響應度。（h）不同開/關頻率下的I-t曲線及響應時間。（i）光電探測器在脈沖光照射下的穩定性測試。

圖5. 光電探測器陣列應用在柔性可穿戴器件及汽車中控屏（a）光電探測器陣列集成在柔性可穿戴設備的實物照片。（b）數字“1”和“2”的手勢書寫以及相應的電流數據。（c）光電探測器陣列集成在汽車中控屏幕進行人機交互的示意圖。（d）手勢運動的三維探測機制示意圖以及手掌在不同距離下對應的電流數據。（e）三種交互手勢對應的電流數據。

圖6. 光電探測器陣列應用在機器人遠程控制（a-b）遠程控制機器人的應用場景示意圖以及該交互系統的組成。（c-d）機器人拾取和轉移樣品過程的照片及其電流數據。（e-f）手勢移動速度的探測過程及其電流數據。（g）本文與其他非接觸式手勢探測傳感器陣列的參數比較。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1007/s40820-022-00961-y

(Nano-Micro Letters?2023, 15, 3)

本文由作者供稿