蘇州大(da)學(xue)，重磅(bang)Nature Materials！

非(fei)可展曲(qu)面(mian)光電(dian)器件可通(tong)過(guo)特(te)定(ding)結(jie)構識(shi)別光信號(hao)的(de)空間(jian)特(te)征(zheng)，並(bing)應(ying)用於仿(fang)生、光學(xue)成像及新(xin)型信息設(she)備。相(xiang)比需(xu)復(fu)雜(za)輔助(zhu)系統的(de)平面(mian)器件，其(qi)額外維(wei)度(du)（z軸）的(de)調控能(neng)力(li)可提升(sheng)空間(jian)變(bian)化(hua)靈(ling)敏(min)度(du)，減少(shao)精密(mi)光學(xue)元(yuan)件需(xu)求，促(cu)進信(xin)息系統小型(xing)化(hua)。現(xian)有技術(shu)主(zhu)要通(tong)過(guo)對(dui)柔性平面器件變(bian)形(xing)實現(xian)非(fei)可展結構，但傳統變形(xing)工(gong)藝會引(yin)入(ru)殘余應力，且(qie)難以適配精(jing)密幾何(he)構型。盡(jin)管曲(qu)面(mian)電(dian)極和(he)電(dian)路可通(tong)過(guo)特(te)殊(shu)技術(shu)制(zhi)備(bei)，但因曲(qu)面(mian)均(jun)勻半導(dao)體薄(bo)膜(mo)生長困(kun)難，直(zhi)接(jie)集(ji)成(cheng)光電(dian)陣列(lie)仍(reng)具(ju)挑(tiao)戰(zhan)性，目前(qian)僅(jin)見(jian)少(shao)數半球(qiu)形(xing)器件報道(dao)。因此(ci)，亟(ji)需(xu)開(kai)發(fa)適用(yong)於任(ren)意(yi)非(fei)可展結構的(de)光電(dian)陣列(lie)集成方法。

針(zhen)對(dui)以(yi)上難題(ti)，蘇(su)州大(da)學(xue)李亮(liang)教(jiao)授團隊(dui)在《Nature Materials》上發(fa)表(biao)了(le)題(ti)為(wei)“Direct integration of optoelectronic arrays with arbitrary non-developable structures"的(de)論文，報道(dao)了(le)壹(yi)種(zhong)自組裝(zhuang)鈣(gai)鈦礦策略，用(yong)於將(jiang)光電(dian)陣列(lie)直(zhi)接(jie)集(ji)成(cheng)到(dao)任(ren)意非(fei)可展曲(qu)面(mian)結構上。該策(ce)略(lve)通過利用(yong)碘化(hua)鉛(qian)溶(rong)液的(de)低能(neng)波(bo)動驅(qu)動快(kuai)速成核主導(dao)的(de)結晶(jing)過(guo)程(cheng)，使流體前驅(qu)體憑借表(biao)面(mian)張(zhang)力(li)沿(yan)非(fei)可展基(ji)底(di)均(jun)勻分散，再通(tong)過(guo)氣體調控自組裝(zhuang)成(cheng)致(zhi)密薄(bo)膜(mo)。

該方法可覆蓋三維(wei)尺(chi)度(du)跨(kua)越106數量(liang)級的(de)任意(yi)形(xing)狀(zhuang)基(ji)底(di)，並(bing)以(yi)微米(mi)級(ji)精度(du)實現(xian)光電(dian)二極(ji)管(guan)陣(zhen)列(lie)的(de)結構調控。作為(wei)概念(nian)驗(yan)證，作者(zhe)將(jiang)單(dan)透(tou)鏡成(cheng)像系統的(de)理論焦面制(zhi)作為(wei)非(fei)可展曲(qu)面(mian)傳感器，相(xiang)較(jiao)於平(ping)面(mian)或(huo)半球(qiu)形(xing)傳(chuan)感器，有效校正了(le)離軸(zhou)彗(hui)形(xing)像差。研究中的(de)波(bo)紋狀模(mo)型、半球(qiu)形(xing)與焦平面(mian)基(ji)底(di)均(jun)是(shi)采(cai)用(yong)摩(mo)方精(jing)密面(mian)投影(ying)微立體光刻(ke)（PμSL）技術(shu)（microArch® S230，精(jing)度(du)：2 μm）制備(bei)而(er)成，成功(gong)將單(dan)透(tou)鏡系統的(de)焦面(mian)實體化(hua)，並(bing)原(yuan)位集成了光電(dian)成像陣列(lie)。

圖1：鈣(gai)鈦礦薄(bo)膜(mo)在不可展基(ji)底(di)上的(de)自組裝(zhuang)。（a–c）（i）PbI2與（ii）PbI2/MAI鈣(gai)鈦礦前驅(qu)體系的(de)光學(xue)顯微鏡(jing)圖(tu)像（a）、成核密度(du)/裸(luo)露面(mian)積隨(sui)時間(jian)變(bian)化(hua)（b）及(ji)結晶過程(cheng)示(shi)意(yi)圖（c）。（d）在(zai)直(zhi)徑2 cm的(de)半球(qiu)形(xing)石英基(ji)底(di)上沈(chen)積MPI薄(bo)膜(mo)的(de)演(yan)示(shi)；左(zuo)側縱(zong)向排(pai)列(lie)的(de)示意(yi)圖(tu)展示沈積四(si)階(jie)段(duan)，右側水(shui)平(ping)排(pai)列(lie)的(de)插圖(tu)為(wei)各(ge)階段間(jian)連(lian)續(xu)薄(bo)膜(mo)變化(hua)的(de)光學(xue)顯微鏡(jing)觀(guan)察(cha)。（e）塗(tu)覆MPI薄(bo)膜(mo)前後(hou)玻(bo)璃球(qiu)對(dui)比。（f）開(kai)放環(huan)境(jing)中PbI2與MA氣體反應的(de)化(hua)學(xue)方程(cheng)式。（g）純(chun)化(hua)循(xun)環(huan)及(ji)其(qi)對(dui)應(ying)的(de)化(hua)學(xue)組成(cheng)變(bian)化(hua)。

圖(tu)2：鈣(gai)鈦礦在多(duo)種(zhong)空(kong)間(jian)結(jie)構基(ji)底(di)上的(de)沈積。（a）不(bu)規則凸(tu)起(qi)包(bao)覆過程示(shi)意圖(tu)；下(xia)方為(wei)MPI包(bao)覆凸(tu)起(qi)的(de)光學(xue)圖及(ji)凹陷區局(ju)部放大圖(tu)。（b）塗(tu)覆MPI的(de)微型(xing)探(tan)針(zhen)圖(tu)像；放大插(cha)圖為白框區(qu)域C、N、I、Pb的(de)能(neng)譜面分布結果。（c）螺絲、透(tou)鏡及(ji)中國(guo)古代塔模型塗(tu)覆MPI後(hou)的(de)照片(pian)。（d）波(bo)紋狀模(mo)型設計，通過(guo)3D打印技術(shu)在(zai)黃(huang)色(se)光敏(min)樹脂(zhi)中實現(xian)；右側為(wei)模(mo)型(xing)塗(tu)覆MPI前後(hou)對比。（e）（f）裸(luo)基(ji)底(di)（僅(jin)ITO導電(dian)層）（e）與包(bao)覆的(de)3D打印層狀紋理（f）對(dui)比；白(bai)框內(nei)插圖(tu)標尺(chi)100 nm。（g）更多(duo)被MPI薄(bo)膜(mo)包(bao)覆的(de)空間(jian)結(jie)構展示，包(bao)括金字塔陣列(lie)、線陣列(lie)及球(qiu)面(mian)線(xian)陣列(lie)復(fu)合結(jie)構。（h）上述(shu)模型的(de)光學(xue)顯微鏡(jing)（左(zuo)）與SEM（右）細節圖。（i）（j）波(bo)紋模型(xing)峰(feng)位(wei)（i）與谷位（j）處(chu)鈣(gai)鈦礦形貌圖(tu)。

圖3：在(zai)波(bo)紋基(ji)底(di)上集(ji)成光電(dian)陣列(lie)。（a）波(bo)紋基(ji)底(di)及其匹配(pei)的(de)下層掩(yan)模(mo)（掩(yan)模(mo)A）與上層掩(yan)模(mo)（掩(yan)模(mo)B）。（b）在波(bo)紋曲(qu)面(mian)集成光電(dian)陣列(lie)的(de)步驟(zhou)：（i）–（vii）逐(zhu)層沈積過(guo)程；（viii）最終器件。（c）波(bo)紋交叉(cha)陣列(lie)的(de)分層結構；下方為(wei)器件示(shi)意(yi)圖(tu)與實物(wu)圖(tu)。（d）波(bo)紋交叉(cha)陣列(lie)的(de)空間(jian)分(fen)布，每黑點(dian)對應單(dan)個(ge)像素。（e）（f）波(bo)紋陣列(lie)在平行入(ru)射(she)光下的(de)暗信號(hao)與光信號(hao)分(fen)布（e）及對(dui)應(ying)統計（f）。（g）波(bo)紋陣列(lie)采(cai)集(ji)的(de)“+"形光圖像。

圖4：基(ji)於單(dan)透(tou)鏡成(cheng)像系統理論預(yu)測(ce)的(de)傳感器。（a）單(dan)透(tou)鏡成(cheng)像系統的(de)像差示意圖(tu)。（b）3×3發(fa)光陣列(lie)及其經單(dan)透(tou)鏡在(zai)平面(mian)上的(de)成像；紅色、橙(cheng)色與藍色虛(xu)線分(fen)別標示(shi)中心(xin)、邊緣與角(jiao)落圖(tu)像。（c）單(dan)透(tou)鏡擬(ni)合焦(jiao)曲(qu)面(mian)。（d）利用(yong)3D打印技術(shu)獲(huo)得(de)的(de)半球(qiu)形(xing)（i）與焦曲(qu)面(mian)（v）基(ji)底(di)照片；（ii）–（iv）、（vi）–（viii）為兩(liang)種(zhong)基(ji)底(di)上3×3陣(zhen)列(lie)在不同視(shi)角(jiao)下的(de)成像。（e）F器件示(shi)意(yi)圖(tu)及實物(wu)圖(tu)。（f）單(dan)像素響應信(xin)號（上）及(ji)掃描(miao)模式下交(jiao)叉(cha)陣列(lie)響應（下）。（g）P、H與F器件捕獲(huo)的(de)3×3陣列(lie)圖像。（h）三種(zhong)傳(chuan)感器中心(xin)（紅色(se)）、邊緣（橙(cheng)色）與角(jiao)落（藍(lan)色）像素的(de)歸壹(yi)化(hua)輸(shu)出強(qiang)度(du)。（i）不同軸(zhou)上（z）與軸外（y）位(wei)置預(yu)測(ce)rr.m.s.值(zhi)的(de)對比。

總(zong)結(jie)：該研(yan)究提出的(de)自組裝(zhuang)鈣(gai)鈦礦策略滿(man)足了非(fei)可展曲(qu)面(mian)應用的(de)需(xu)求。研(yan)究發(fa)現單(dan)溶(rong)質(zhi)碘化(hua)鉛(qian)溶(rong)液可通(tong)過(guo)低能(neng)波(bo)動驅(qu)動的(de)快速成核主導(dao)結(jie)晶(jing)過程(cheng)，在非(fei)可展基(ji)底(di)上原(yuan)位自組裝(zhuang)形(xing)成(cheng)鈣(gai)鈦礦薄(bo)膜(mo)。該策(ce)略(lve)覆蓋了超過106數量(liang)級的(de)三維(wei)尺(chi)度(du)，適配(pei)任(ren)意復(fu)雜(za)結構，並(bing)為(wei)非(fei)可展曲(qu)面(mian)光電(dian)器件提供(gong)了(le)獨(du)特(te)的(de)結構調控能(neng)力(li)。通過(guo)集(ji)成理(li)論傳感器優化(hua)單(dan)透(tou)鏡系統，成功(gong)校(xiao)正(zheng)了傳統平面(mian)或(huo)半球(qiu)形(xing)傳(chuan)感器的(de)彗形(xing)像差。此策略(lve)推動(dong)了非(fei)可展曲(qu)面(mian)光電(dian)的(de)結構工(gong)程設(she)計，有望促(cu)進仿(fang)生電(dian)子學(xue)等(deng)跨(kua)學(xue)科領(ling)域的(de)發(fa)展。