Nano-Micro Letters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。
Split-Ring Structured All-Inorganic Perovskite Photodetector Arrays for Masterly Internet of ThingsBori Shi, Pingyang Wang, Jingyun Feng, Chang Xue, Gaojie Yang, Qingwei Liao, Mengying Zhang, Xingcai Zhang*, Weijia Wen and Jinbo Wu*
Nano-Micro Letters (2023)15: 3
https://doi.org/10.1007/s40820-022-00961-y
本文亮点
内容简介
图文导读
图1.(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. (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。
II 分裂环结构化钙钛矿晶膜阵列的高通量制备
本研究中，纳秒脉冲激光的热效应被巧妙运用至多层衬底的刻蚀方案，以一步完成疏液层和电极层的图案化。由于激光束能量的高斯分布，疏液层受热影响产生的亲液区总是覆盖激光刻蚀产生的ITO沟道，钙钛矿前驱液在蒸发结晶后形成的晶膜会覆盖并搭接在ITO沟道两侧，形成横向结构的光电导型探测器(图3a-b)。钙钛矿晶膜阵列组成的字母“SHU” 由上述方案高通量制备而成，且晶膜单元的面积小于4×10⁻2 mm2，使得样品的平均透射率超过80%，扩展了透明传感器的应用(图3c)。分裂环型钙钛矿晶膜的元素分布、X射线衍射谱和光学表征如图3d-g所示。
图3. (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。
III 分裂环型光电探测器的性能
得益于钙钛矿晶膜具有较小的光活性面积以及较高的晶膜致密性，本研究开发的分裂环结构化光电探测器具有优异的光电性能，包括最高1.44×10⁵ mA/W的光响应度、8.2 × 103的开关比、1.5kHz的带宽以及150μs的响应时间。
图4. 催(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。
IV 光电探测器阵列在非接触式人机交互的应用
本研究工作通过将聚合物PET作为柔性可穿戴器件的衬底验证上述制备方法的普适性。该交互界面可以在一定的弯曲角度下保持相对稳定的光电特性，并通过检测不同探测器单元光电流变化对应的时空序列来判断手势的指令输入(图5a-b)。此外，本研究进一步开发了一种三维手势探测方案，通过将高透明的人机界面与汽车显示器进行集成，并利用手掌对器件后方显示器发出的光进行反射，实现三维手势的识别，为多功能集成的传感-显示一体化系统提供了新的交互策略(图5c-e)。
图5. (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。
最后，本研究通过检测不同光电探测器单元光电流下降顺序和间隔，映射为遮挡物的移动方向和速度，并通过以太网发送执行指令至机器人服务器完成远程控制过程。该方案可以避免操作员和机器之间的直接接触，并使机器人能够快速、智能地完成人类预期的操作动作(图6a-g)。
图6. (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。
作者简介
石博日
本文第一作者
上海大学 博士研究生
▍主要研究领域
钙钛矿微器件的高通量制备及其在光-电学的应用。
▍主要研究成果
现已在国际高水平期刊Nano-Micro Letters、 Chemical Engineering Journal、Small以及ACS Applied Materials ＆ Interfaces上发表SCI论文4篇，并申请国家发明专利4项和软件著作1项，其中2项已取得授权。
张兴才人工智能、纳米材料、天然及仿生材料。
巫金波关于我们
Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2021JCR影响因子为 23.655，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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