上海大学Nano-Micro Letters：分裂环结构化的全无机钙钛矿光电探测器阵列应用于物联网

一、导读

探测距离远且响应快速的光电探测器是构建非接触式人机交互界面的重要媒介。在众多光电材料中，全无机钙钛矿具有优异的光电性能和较好的耐湿、氧性，使其成为高性能光电探测器的优选材料。但全无机钙钛矿的结晶性难以有效控制，并且随着器件的阵列化、柔性化、微型化进程不断推进，迫切需要一种简单、高效和低成本的制备策略来激发钙钛矿微器件在光电传感领域的商业化潜质。

二、成果掠影

近日，上海大学巫金波课题组与哈佛大学/麻省理工张兴才课题组等通过在疏液修饰的衬底表面进行激光刻蚀的方法，开发了一种新颖的分裂环型亲液图案，该图案可以高效地捕获钙钛矿前驱体液滴，并辅助液滴发生第二次去润湿过程，将大量的液滴定向输运至较小的沉积位点，实现CsPbBr₃晶膜的致密、均匀沉积。在此基础上，他们巧妙利用了纳秒脉冲激光的热效应，以同时制备分裂环型亲液图案及对应的图案化电极，极大地简化了阵列式微器件的生产工艺。基于此分裂环型钙钛矿光电探测器，本研究将探测器阵列作为人机交互界面，应用于柔性可穿戴器件进行数字的书写识别、汽车中控屏幕进行三维手势控制以及非接触场景中进行机器人的远程操控，充分展示了该交互界面的广泛应用。该研究成果以“Split-Ring Structured All-Inorganic Perovskite Photodetector Arrays for Masterly Internet of Things”为题，以封面文章发表在国际著名期刊Nano-Micro Letters上。博士研究生石博日为第一作者，上海大学材料基因组工程研究为第一署名单位。上述研究也得到了浙江省之江实验室重点研究项目、国家自然科学基金以及河套深港科技创新合作区项目的资助和支持。

三、核心创新点

该团队对分裂环结构的润湿性、蒸发自组装及光电子器件进行了系统研究。提出的分裂环亲液图案可以将前驱体溶液定向输运至面积更小的位点进行沉积，提高了图案化钙钛矿晶膜的致密性和均匀度。此外，开发了一种双功能激光蚀刻方案，可以高通量的一步制备分裂环亲液图案及相应的图案化电极阵列。最后，基于钙钛矿光电探测器阵列的非接触式人机界面已成功应用于可穿戴设备、汽车显示器、机器人远程控制等。

四、数据概览

图1.总览（a）人机交互界面的结构示意图。（b）分裂环结构化的钙钛矿光电探测器单元示意图。（c）该界面在人机交互中的应用。（d）该界面与传统的按钮相比不易机械疲劳和传播病毒。

图2. 分裂环型亲液图案辅助去润湿的机制（a）分裂环型钙钛矿晶膜的制备流程图。（b）钙钛矿前驱体溶液的去润湿过程。（c）分裂环型液滴的三维形貌。（d）钙钛矿前驱体溶液的蒸发结晶过程。（e–g）几种典型图案的去润湿以及沉积结果。

图3. 分裂环结构化钙钛矿晶膜阵列的高通量制备 （a）双功能激光蚀刻的机理。钙钛矿晶膜的（b-d）形貌及成分表征、（e）X射线衍射谱、（f）吸收光谱和发射光谱、（g）时间分辨的荧光衰减曲线。

图4. 分裂环型光电探测器的性能（a-c）钙钛矿光电探测器的结构及光电响应机制示意图。（d）不同偏置电压下的I-t曲线。（e）不同光功率密度下的I-V曲线。（f）响应度、比探测率、光电流与光功率密度的关系。（g）光电探测器的光谱响应度。（h）不同开/关频率下的I-t曲线及响应时间。（i）光电探测器在脉冲光照射下的稳定性测试。

图5. 光电探测器阵列应用在柔性可穿戴器件及汽车中控屏（a）光电探测器阵列集成在柔性可穿戴设备的实物照片。（b）数字“1”和“2”的手势书写以及相应的电流数据。（c）光电探测器阵列集成在汽车中控屏幕进行人机交互的示意图。（d）手势运动的三维探测机制示意图以及手掌在不同距离下对应的电流数据。（e）三种交互手势对应的电流数据。

图6. 光电探测器阵列应用在机器人远程控制（a-b）远程控制机器人的应用场景示意图以及该交互系统的组成。（c-d）机器人拾取和转移样品过程的照片及其电流数据。（e-f）手势移动速度的探测过程及其电流数据。（g）本文与其他非接触式手势探测传感器阵列的参数比较。

文献链接：https://doi.org/10.1007/s40820-022-00961-y

(Nano-Micro Letters 2023, 15, 3)

本文由作者供稿