Sci. Adv.：仿生单拍偏振光探测器：基于四向光栅阵列覆盖钙钛矿单晶薄膜（2024）

摘要

摘要图
本文基于沙漠蚂蚁复眼的仿生结构，开发了一种无需传统偏振光学器件的单拍偏振光探测器。通过四向光栅阵列和高结晶钙钛矿薄膜的结合，该设备在无透镜情况下实现高探测性能，其探测能力比商业设备高出两个数量级。设备展示了在仿生导航、雾霾图像复原、应力分布可视化以及癌变区域检测等领域的广泛应用潜力，证明了其在光电学领域的卓越表现。

关键词

  • 偏振光探测器 (polarization photodetector)
  • 钙钛矿单晶薄膜 (perovskite single-crystal thin film)
  • 纳米压印结晶 (nanoimprinting crystallization)
  • 仿生导航 (bionic navigation)
  • 应用光电子学 (optoelectronic applications)

研究背景

偏振光探测器在地质遥感、机器视觉和生物医学等领域具有重要应用。然而，传统设备复杂且难以小型化，响应速度慢且依赖光学组件，如透镜和偏振器。近期的研究尝试通过引入光栅和金属透镜实现设备的小型化，但存在光学串扰和光损失等问题。本研究受到沙漠蚂蚁复眼结构的启发，通过纳米压印方法构建了四向光栅覆盖钙钛矿单晶薄膜，实现了无透镜、无偏振器的高性能单拍偏振成像。

创新点

  • 引入沙漠蚂蚁复眼仿生设计，实现高灵敏度单拍偏振成像。
  • 使用纳米压印结晶法制备高结晶钙钛矿薄膜，提升光电性能。
  • 开发出无需传统偏振光学器件的轻量化光电设备。

研究内容

本研究通过纳米压印结晶技术，制备了具有四向光栅结构的钙钛矿单晶薄膜，形成了高度均匀的光栅阵列。在此基础上，构建了无透镜、无偏振器的偏振光探测器。实验步骤包括：将钙钛矿溶液滴于冷却基板，覆盖带光栅的PDMS模具施压，然后加热退火以形成晶体薄膜。该设备表现出高光吸收、高载流子迁移率及低暗电流特性。在多项应用测试中，设备在雾霾场景图像复原、应力分布可视化及癌变区域检测方面均表现出优异性能，证明其在光电传感领域的广泛潜力。

图1
图 1 | 沙漠蚁眼睛启发的单次成像芯片偏振光探测器用于偏振成像。

(A) Cataglyphis 的头部扫描电子显微镜图像。比例尺，200 μm。
(B) Cataglyphis 复眼的扫描电子显微镜图像。比例尺，100 μm。
(C) 单个小眼的横截面透射电子显微镜图像，显示两组垂直排列的感光微绒毛。比例尺，0.5 μm。
(D) 通过纳米压印（一种溶液结晶模塑方法）制备 4D-G-PSCTF 的工艺示意图。PvK 代表钙钛矿溶液。
(E) 偏振光探测器设备结构，显示基于 4D-G-PSCTF 和 Au 电极的简单玻璃基底。
(F) 4D-G-PSCTF 的光学图像（80 × 80 像素）。比例尺，1.5 mm。样品因纳米光栅衍射呈现出丰富的结构色。
(G) 偏振单元的光学显微镜图像和扫描电子显微镜图像。光学显微图像比例尺，50 μm；扫描电子显微图像比例尺，10 μm。
(H) G-PSCTF 的 X 射线衍射（XRD）图案。插图为 G-PSCTF 的俯视图和横截面图像，比例尺，1 μm。光栅具有 1.5 μm 的周期和 150 nm 的高度。

图2
图 2 | 4D-G-PSCTF 的高结晶机制。

(A) 不同时刻的 4D-G-PSCTF 生长过程快照。比例尺，2 mm。为更清晰地观察 4D-G-PSCTF 的结构色变化，单像素区域放大至 2 mm × 2 mm。
(B) 4D-G-PSCTF 的原位光致发光光谱。∆t = 84 s 表示钙钛矿熟化时间。
(C) 三种样品的结晶动力学示意图，Cs 和 C′s 分别表示 25°C 和 100°C 下异质成核的最小临界浓度；Cmin 和 C′min 分别表示 25°C 和 100°C 下均质成核的最小临界浓度。比例尺，20 μm。

图3
图 3 | 基于 G-PSCTF 的偏振光探测器性能。

(A) G-PSCTF 和平面 PSCTF 的 LHE 和反射率。G-PSCTF 在 400 至 800 nm 波长范围内显示更高的 LHE 和更低的反射率。
(B) G-PSCTF 和平面 PSCTF 的 TRPL 曲线。G-PSCTF 的载流子寿命（τ1 = 85.24 ns）是平面 PSCTF 的四倍（τ1 = 21.82 ns）。
(C) G-PSCTF 和平面 PSCTF 的 I-V 曲线，显示欧姆（I ∝ Vⁿ=¹）、陷阱填充限制（I ∝ Vⁿ=³）和儿童电流区（I ∝ Vⁿ=²）三个区域。
(D) 光栅结构增强了光捕获能力，有助于生成更多载流子。
(E) 在 700 nm 波长下，x-z 平面的时均电磁能量密度场图。G-PSCTF 显示出卓越的光捕获能力。
(F) 偏振光探测器的载流子收集示意图。
(G) 不同功率的 700 nm 入射光下的光电流和响应度。
(H) 与其他研究相比，偏振光探测器的响应度和探测度。

图4
图 4 | 仿生导航和偏振成像的应用。

(A) 单次成像芯片偏振光探测器的工作原理示意图。
(B) 偏振光探测器的光电流与入射光偏振角度（0° 至 360°）的关系。偏振光探测器具有较高的偏振灵敏度（Imax/Imin = 1.73）。
(C) 器件输出偏振角与入射光偏振角的关系。入射光偏振角与输出角之间的误差为 ±1.2°。
(D) 偏振成像的应用，包括去雾成像（比例尺，1 cm）、指纹检测（比例尺，2 mm）、尺子的应力检测，以及直肠组织中癌变区域的检测（比例尺，2 mm）。

结论与展望

本文开发的单拍偏振光探测器在响应速度、探测灵敏度和设备稳定性上均达到新高，为偏振成像提供了简单、经济高效的解决方案。未来，该技术有望广泛应用于机器视觉、生物医学成像及导航领域，推动高性能偏振光学设备的普及化。

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原文标题：Bioinspired single-shot polarization photodetector based on four-directional grating arrays capped perovskite single-crystal thin film

Sci. Adv. 2024, 10, eadr5375.

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