Nat. Commun.：利用高密度MoS2-石墨烯曲面图像传感器阵列制备的人眼激发软光电子器件

【引言】

使用软材料和/或超薄器件设计制备的软生物电子器件已经引起了人们的广泛关注，特别是在可植入器件应用的领域中。例如，将用硅胶密封的软神经植入物植入到患者体内后能够有效地刺激脊髓修复损伤的腿部；此外，与周围神经相连的超薄假体皮肤能够感知外界的机械/热信号，并将相应的信号传递给大脑。类似地，软生物电子装置可以在视网膜变性患者（例如黄斑变性或视网膜色素变性）的病变眼内发挥重要作用。

更重要的一点是，软生物电子器件为新一代可植入装置的出现提供了可能，这得益于其柔软的机械性质，使得组织损伤和免疫应答的影响都降到最低程度。然而，由于传统的成像模块及其组成材料的大体积和刚性，用于光学传感和视网膜刺激的柔顺性可植入光电子装置尚未开发出来。而本文则主要介绍了一种利用高密度MoS₂-石墨烯曲面图像传感器阵列制备人眼激发软光电子器件的方法。这种装置可以检测光学信号，并且将编程的电刺激施加到视神经，而对视网膜的机械副作用很小。

【成果简介】

近日，来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Nanshu Lu和首尔国立大学的Dae-Hyeong Kim（共同通讯作者）等人在近期的Nature Communications期刊上发表了一篇题为“Human eye-inspired soft optoelectronic deviceusing high-density MoS2-graphene curved image sensor array”的文章。文章主要介绍了一种利用高密度MoS₂-石墨烯曲面图像传感器阵列制备人眼激发软光电子器件的方法。研究人员通过理论建模和有限元分析来证实所提出的软材料和超薄器件设计的有效性。他们认为超薄半球形弯曲图像传感器的阵列可以作为软视网膜植入物中有效的成像元件。这种装置可以检测光学信号，并且将编程的电刺激施加到视神经，而对视网膜的机械副作用很小，是一种极具应用前景的电子器件。

【图文导读】

图1 基于MoS₂-石墨烯异质结构的高密度弯曲图像传感器阵列

a 基于MoS₂-石墨烯异质结构的高密度CurvIS阵列的示意图；

b 高密度CurvIS阵列的光学相机图像；

c 设备设计的示意图；

d MoS₂-石墨烯光电晶体管的横截面透射电子显微镜图像（左）和MoS₂-石墨烯异质结构的放大图像（右）；

e 高密度CurvIS阵列在凹半球上的光学（左）和放大的扫描电子显微镜（右）图像。

图2 半球形圆顶器件阵列上诱导应变的理论分析

a 分析中使用的近似值的示意图；

b,c 两种膜上径向b和环向c的应变分布；

d,e 径向d和环向e的应变绘制为径向坐标r的函数；

f 具有不同半径膜的最大拉伸径向应变（左）和拉伸环向应变（右）。

图3 使用弯曲图像传感器阵列所进行的装置的表征和成像

a 在平面基板上具有截面为二十面体设计的光电晶体管阵列的光学照相机图像；

b 在不同光线（515nm）强度下，光电晶体管的传输曲线；

c 归一化的光电流在不同光强下的变化；

d MoS₂-石墨烯光电晶体管的光响应性与相同厚度的硅光电探测器的比较；

e 在不同光强的红外光照射（850nm）下，标准化的光电流发生变化 ；

f 由CurvIS阵列捕获的Sigma形图像；

g 与图3f相同的图像，但是在红外照射下获取。

图4 受人眼启发的软光电子器件

a 人眼结构的示意图；

b 用软光电子器件显示眼结构的示意图；

c （ii）软光电子器件，（iii）柔性膜器件和（iv）基于晶片的电子器件与（i）裸眼模型相连接，并显示出模型变形的微CT图像（左）和放大图像（右）；

d 由三种不同植入装置所引起的应力；

e 正常视网膜和植入软光电子器件视网膜的染色组织图片；

f （i）没有任何装置，（ii）具有软光电装置，（iii）具有柔性薄膜装置和（iv）具有基于晶片的电子装置的眼模型的最大主应变的有限元分析结果。

图5 软光电器件和眼模型的有限元分析

a 软光电子器件（顶部）和圆形器件（底部）的最大面内主应变分布；

b 软光电子器件（顶部）和圆形器件（底部）的偏离接触部分；

c 由软光电子器件（顶部）和圆形器件（底部）连接的眼模型中的最大面内主应变分布；

d 由软光电子器件（顶部）和由FEA获得的圆形器件（底部）连接的眼模型的变形形状。

图6 将CurvIS阵列与UNE集成的柔性印刷电路板

a 用于检测外部光线（底部）和施加刺激（顶部）的电子设备的示意图；

b CurvIS阵列的光学相机图像和眼模型上的UNE，它们由软FPCB连接；

c 垂直堆叠的CurvIS阵列和UNE放大的光学相机图像；

d 光电晶体管（底部）和刺激电极（顶部）叠加在一起，并通过软FPCB连接的示意图；

e 软FPCB的光学相机图像；

f,g 拨出（图f）和弯曲（图g）条件下软FPCB的光学相机图像；

h,i 通过响应光开/关（图h）和放大的电脉冲（图i），在三个不同像素处产生的电脉冲。

图7 由软光电子装置进行视网膜刺激

a 用于刺激视网膜（左）和从视觉皮层（右）记录神经信号的实验装置的示意图；

b,c 通过光刺激测量视觉皮层中引起的峰值和LFP变化；

d,e 通过电刺激测量视觉皮层中诱发的峰值和LFP变化。

【小结】

研究人员提出了一种利用高密度MoS₂-石墨烯曲面图像传感器阵列制备人眼激发软光电子器件的方法。这种装置可以检测光学信号，并且将编程的电刺激施加到视神经，而对视网膜的机械副作用很小，是一种极具应用前景的电子器件。

文献链接：Human eye-inspired soft optoelectronic device using high-density MoS2-graphene curved image sensor array.（Nat. Commun.，2017，Doi:10.1038/s41467-017-01824-6）

本文由材料牛高分子学术组Andy供稿。材料牛审核整理。

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