理化所用一步法制備表面具有四向光柵陣列鈣鈦礦單晶薄膜構(gòu)筑仿生單次拍攝偏振光電探測(cè)器

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，Science Advances雜志報(bào)道了中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所李明珠研究員課題組在片上集成偏振光電探測(cè)器研究上取得的最新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開發(fā)了一種納米壓印限域結(jié)晶法(nanoimprinting crystallization)，通過一步溶液法制備了面積為 12.79 mm × 12.79 mm且表面具有6400個(gè)四取向光柵陣列的鈣鈦礦單晶薄膜，實(shí)現(xiàn)了光調(diào)控功能的微納光學(xué)結(jié)構(gòu)與光電敏感材料的一體化，并且成功構(gòu)筑了可單次拍攝的超薄偏振探測(cè)器件。該偏振光電探測(cè)器是一種緊湊型片上光電器件，無需偏振光學(xué)元件，可成功應(yīng)用于視覺去霧、聚合物應(yīng)力可視化以及組織中癌變區(qū)域的檢測(cè)等領(lǐng)域。該工作為開發(fā)單次拍攝的高靈敏、小型化和片上集成偏振成像系統(tǒng)提供了新思路(Sci. Adv. 2024，10, eadr5375 )。
 

　　偏振成像具有探測(cè)維度多，精度高，對(duì)比度高，去霧、去偽、去反光，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于遙感成像、目標(biāo)識(shí)別和機(jī)器視覺等領(lǐng)域。國(guó)家航天局發(fā)布的《2021中國(guó)的航天》白皮書中指出，嫦娥系列月球探測(cè)器、天文一號(hào)火星探測(cè)器為代表的航天測(cè)控任務(wù)，對(duì)高精度、多維度的偏振載荷技術(shù)提出了需求。全國(guó)氣象發(fā)展十四五規(guī)劃中，中國(guó)氣象局同樣提出了對(duì)多偏振探測(cè)的需求。2024年2月，Science新聞報(bào)道：美國(guó)宇航局將耗資數(shù)十億美元研發(fā)高精度偏振成像探測(cè)器，用以觀測(cè)海洋生物景觀。因此，偏振成像探測(cè)在航空航天、氣象探測(cè)等領(lǐng)域起著不可或缺的作用。
 

　　目前，商用偏振成像系統(tǒng)通常由多種光學(xué)元件組成，復(fù)雜笨重且難以小型化。市場(chǎng)對(duì)于小型化集成化偏振探測(cè)系統(tǒng)的需求日益提高。高度集成、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化、低成本且無需偏振光學(xué)組件的高靈敏單次拍攝的偏振探測(cè)器件的設(shè)計(jì)與制備，成為人們關(guān)注的重點(diǎn) 。
 

　　沙漠螞蟻Cataglyphis可以在沙漠中行走幾百米尋找食物，然后直線返回巢穴，而不會(huì)迷路，這是因?yàn)槠鋸?fù)眼的感光細(xì)胞具有偏振光感知能力。感光細(xì)胞中存在兩組相互垂直的微絨毛，這使得其對(duì)入射光的偏振方向敏感(圖1A-C)。受沙蟻復(fù)眼啟發(fā)，李明珠課題組利用納米壓印輔助的一步溶液結(jié)晶法(nanoimprinting crystallization)制備了表面具有6400個(gè)四向光柵陣列的鈣鈦礦單晶薄膜(4D-G-PSCTF)(圖1D)。由于偏振敏感結(jié)構(gòu)是在鈣鈦礦的原位結(jié)晶過程中形成的，因此不會(huì)損傷材料光電性能，最終可以獲得四向光柵陣列和薄膜一體化的高性能鈣鈦礦單晶薄膜(圖1E-H)。基于4D-G-PSCTF，該課題組設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了一個(gè)無需其他標(biāo)準(zhǔn)偏振光學(xué)元件的單次拍攝的片上集成偏振光電探測(cè)器，并實(shí)現(xiàn)了高靈敏的偏振成像(圖1I)。
 

圖 1. 受沙蟻復(fù)眼啟發(fā)的用于單次拍攝偏振成像的片上集成偏振探測(cè)器
 

　　片上集成偏振探測(cè)器件可以對(duì)已知偏振角和偏振度進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)(對(duì)偏振角和偏振度的探測(cè)準(zhǔn)確度分別為 ± 1.2°和 ± 0.1)，因此能夠應(yīng)用于仿生偏振導(dǎo)航和偏振成像(圖2A-C)。該工作設(shè)計(jì)了不同的應(yīng)用場(chǎng)景來展示片上集成偏振探測(cè)器件的偏振成像性能(圖2D)。在霧場(chǎng)景中，通過普通光學(xué)成像是看不到清晰圖案的，而片上集成偏振探測(cè)器件能夠在霧場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)清晰的圖像復(fù)原。此外，片上集成偏振探測(cè)器件能夠獲取清晰的指紋，觀測(cè)到塑料尺中的應(yīng)力分布，實(shí)現(xiàn)無需染色的組織癌變區(qū)域檢測(cè)。
 

圖 2. 仿生片上集成偏振探測(cè)器在導(dǎo)航和偏振成像的應(yīng)用
 

　　該工作提出的納米壓印限域結(jié)晶法為制備具有高光電性能的圖案化鈣鈦礦單晶薄膜提供了一種新穎且通用的解決方案，基于此構(gòu)筑的仿生單次拍攝的偏振光電探測(cè)器是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效的高靈敏度偏振成像系統(tǒng)，該設(shè)計(jì)理念為偏振成像系統(tǒng)的高靈敏、小型化和片上集成提供途徑。
 

　　該工作是中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所李明珠研究員團(tuán)隊(duì)在利用納米壓印限域結(jié)晶法制備仿生圖案化光電器件的最新進(jìn)展之一。在過去的幾年里，該團(tuán)隊(duì)利用納米壓印限域結(jié)晶法構(gòu)筑了系列具有仿生微納結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜，構(gòu)筑了高效彩色太陽能電池，(Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702960，Adv. Mater. 2021, 33, 2008091)，和偏振光電探測(cè)器(Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 16456-16462，Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2100742)。除此之外，該團(tuán)隊(duì)還利用納米壓印限域結(jié)晶法制備了表面圖案化鈣鈦礦單晶微板定向激光器，實(shí)現(xiàn)了具有定向發(fā)射特性的鈣鈦礦WGM激光器(Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202205636)。
 

　　該工作第一作者是方文中(博士研究生)劉承奔(博士研究生)、朱紫欣(博士研究生)、吳超(教授)、程群峰(教授)；通訊作者是李明珠研究員；第一單位是中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所。本工作得到中國(guó)科學(xué)院江雷院士的指導(dǎo)，以及中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所宋延林教授的幫助。研究工作得到了國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(22225502和52125302)、國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(22435004、22073107、52350012和22075009)科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFE0202000和2021YFA0715700)、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作局(201620151002及111引智計(jì)劃(B14009)等項(xiàng)目的資助。