《Nano Energy》：Damselfly-Inspired Kirigami Engineering of Hemispherical Perovskite Photodetectors for Panoramic Computational Imaging
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柔性光探测器通过可溶液晶化与Kirigami折叠技术实现半球形阵列，在360°水平及150°垂直视野内保持高响应度（380 mAW?1）、低陷阱密度（2.46×101? cm?3）及优异机械稳定性（6000次弯折），结合傅里叶变换算法实现无透镜全景成像，为生物启发视觉和广角光子学提供高效平台。
陈博鳌|李万军|陈博伟|彭正|傅勇|梅文杰|赵传喜
广东省真空镀膜技术与新能源材料工程技术研究中心思源实验室，广州真空镀膜技术与新能源材料重点实验室，济南大学物理系，中国广东省广州市510632
摘要
广角光电探测器能够实现自主导航和全景成像，但其刚性平面几何结构和狭窄的角度响应范围限制了其应用。本文介绍了一种受豆娘复眼启发的柔性折纸半球形MAPbI?光电探测器阵列。通过使用低温挥发性溶剂系统，我们在PET-ITO基底上快速制备出了高度有序、缺陷较低的MAPbI?薄膜。八个钙钛矿探测器单元被折叠到一个透明的半球形平台上，并配合设计了一个透明的银电极，从而实现了360°水平方向和150°垂直方向的全向光感测。该柔性光电探测器的典型峰值响应率为380 mAW?1，线性动态范围宽达153 dB，陷阱密度低至2.46×101? cm?3，在经过6000次弯曲循环和一个月的环境存储后仍保持优异的性能。当这种半球形探测器阵列集成到傅里叶变换单探测器成像系统中时，可在双向照明下实现高保真度的无透镜全景计算成像。我们的方法首次展示了用于全场成像的折纸组装半球形钙钛矿光电探测器，为仿生视觉和广角光子学领域提供了一个可扩展的、节能的平台。
引言
随着光电技术的快速发展，对高性能、多功能和低功耗光电探测器的需求在自动驾驶、虚拟现实和环境监测等领域变得日益迫切[1]、[2]、[3]、[4]。然而，传统的基于硅的光电探测器受限于平面几何结构，难以实现宽视野（FOV）下的精确检测[5]。尽管三维（3D）光电探测器因其独特的架构而具有宽广的角度覆盖范围和增强的信息采集能力[6]、[7]、[8]、[9]、[10]，但其发展受到与刚性材料兼容性的限制。
随着柔性电子技术的进步，现在可以使用折纸和剪纸技术制造3D光电探测器[11]、[12]。简而言之，剪纸是将连续的纸张折叠成三维形状的艺术，而剪纸技术允许在纸张上进行切割和折叠。虽然剪纸设计仅依赖于弯曲和折叠，但它引入了切割，从而实现了更大的变形模式（如拉伸、屈曲和旋转），以及更高的结构灵活性。通常，平面器件首先被制造在柔性基底上，然后通过机械方式转变为所需的3D结构。然而，大多数柔性基底在高温下不稳定，这限制了使用高温工艺的剪纸方法的应用[13]。同时，传统的广角FOV成像系统严重依赖复杂的多透镜光学系统[9]、[14]，这在成本和空间效率方面带来了额外的挑战。因此，迫切需要更接近生物视觉系统的创新设计。
在自然界中，不同生态位的生物体演化出了具有独特光学特性的视觉系统。这种进化多样性为克服人工视觉系统的技术挑战提供了宝贵的灵感[15]、[16]、[17]、[18]。例如，豆娘拥有由密集排列的光敏单元组成的半球形复眼，具有多角度响应能力[19]、[20]。这些结构能够在保持低能耗的同时实现近乎全景的视觉感知——这归功于豆娘紧凑的神经架构。这种受生物启发的方法表明，结合柔性材料、3D微架构和计算成像算法可以创造出具有广角感知能力的人工视觉系统。然而，大多数人工复眼架构的视野角有限（通常<180°），且相对功耗较高[10]，阻碍了全向视觉的实现。
在这种背景下，金属卤化物钙钛矿因其优异的光电性能、低温加工性和与可变形基底的兼容性而成为柔性光电学领域的有前景材料[21]。目前，在基于钙钛矿的柔性器件方面已经取得了显著进展[7]、[8]、[13]、[22]。用于溶解钙钛矿前驱体的溶剂在决定薄膜形态和器件性能方面起着关键作用。传统的高沸点溶剂（沸点>154°C）[13]需要额外的抗溶剂处理和热退火以去除残留物。这些多步骤工艺增加了制造复杂性，如果退火不完全，可能会留下残留溶剂，从而降低薄膜质量。此外，抗溶剂处理的狭窄处理窗口要求精确的时间控制，任何偏差都会使工艺失效[23]、[24]。高温处理不仅会增加能耗，还会导致柔性基底变形，限制了基底的选择。因此，在低温条件下快速去除溶剂对于在柔性基底上实现高成核密度和均匀钙钛矿薄膜的形成至关重要。用挥发性溶剂（VS）系统替代传统的非挥发性溶剂（NVS）系统是一个可行的替代方案。VS系统具有较高的蒸气压，可以在无需热退火的情况下通过过饱和诱导结晶，促进快速成核和均匀薄膜生长[25]。
在本研究中，我们通过使用挥发性溶剂策略，在低温下控制溶剂蒸发和钙钛矿结晶，开发出了高性能的柔性钙钛矿光电探测器。我们采用了甲胺-乙醇（MA–EtOH）和乙腈（ACN）的混合溶剂系统。甲胺和乙醇调节了前驱体的配位，增强了成核动力学和薄膜的均匀性。这种方法制备出了高度有序的MAPbI?多晶薄膜，具有优选的（110）取向。VS处理的薄膜陷阱密度低至2.46×101? cm?3——大约是NVS基薄膜的四分之一。使用这种方法的典型柔性光电探测器的峰值响应率为380 mA/W，比灵敏度为1.1×1012 Jones。受豆娘复眼的启发，我们通过剪纸技术将柔性钙钛矿光电探测器集成到透明的半球形圆顶上，实现了多功能、自供电的全景阵列。通过优化银电极厚度，这些探测器在双向照明下表现出不同的响应特性。半球形探测器实现了近乎全向的光检测，覆盖了360°的水平视野（FOV?H?）和150°的垂直视野（FOVv）。在我们的系统中，全景成像是通过无透镜的计算方法实现的。这种方法依赖于硬件和软件的协同作用。半球形传感器几何结构提供了全景视野，并确保了从广泛角度的高光收集效率。同时，基于傅里叶的计算算法通过数值重建测量得到的光电流系列来形成最终图像。这种集成设计消除了对传统物理透镜的需求。这种受生物启发的视觉平台在全景成像[26]、光场感知和动态变化环境下的障碍物检测方面具有巨大潜力。
节选内容
受豆娘复眼结构启发的广角检测
在自然界中，豆娘几乎具有全向的可见光检测和响应能力。它们独特的半球形复眼结构使它们能够从几乎所有方向感知视觉信息（见图1A）。这种感知能力使它们能够高效地定位同类个体并迅速躲避捕食者。受这一生物设计的启发，我们制造了三维半球形光电探测器以实现广角光检测。
结论
总之，我们开发了一种受豆娘复眼启发的半球形光电探测器阵列，结合了低温挥发性溶剂结晶技术和基于剪纸的机械工程。这种创新方法实现了无透镜的全景成像能力。我们的ACN/MA-EtOH挥发性溶剂策略促进了高质量MAPbI?多晶薄膜在低温下的快速成核和生长，具有优选的（110）取向。
材料表征
表面形态通过原子力显微镜（AFM，Bruker公司生产的Dimension Fast Scan）和场发射扫描电子显微镜（FE-SEM，ZEISS Sigma 300）进行了检测。光学性质通过紫外-可见光谱仪（SHIMADZU，UV-3600 plus）进行了表征。钙钛矿薄膜的光致发光（PL）光谱使用荧光光谱仪（WITec alpha300 R）记录。薄膜的晶体结构通过X射线衍射（XRD）进行了研究。
CRediT作者贡献声明
梅文杰：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，概念构思。赵传喜：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，项目管理，研究，资金获取，概念构思。彭正：方法学，形式分析。傅勇：资源，方法学。李万军：软件，方法学，研究，数据管理。陈博伟：验证，验证，方法学，数据管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52172202）和广东省基础与应用基础研究基金（项目编号2024A1515011879、2023A1515030163）的支持。
陈博鳌目前是济南大学（JNU）凝聚态物理专业的硕士研究生。他于2023年获得河南科技大学的学士学位。他的研究主要集中在钙钛矿光电探测器的成像应用上。
