非可展曲面光電器件可通過特定結(jié)構(gòu)識別光信號的空間特征，并應(yīng)用于仿生、光學(xué)成像及新型信息設(shè)備。相比需復(fù)雜輔助系統(tǒng)的平面器件，其額外維度（z軸）的調(diào)控能力可提升空間變化靈敏度，減少精密光學(xué)元件需求，促進(jìn)信息系統(tǒng)小型化?，F(xiàn)有技術(shù)主要通過對柔性平面器件變形實(shí)現(xiàn)非可展結(jié)構(gòu)，但傳統(tǒng)變形工藝會(huì)引入殘余應(yīng)力，且難以適配精密幾何構(gòu)型。盡管曲面電極和電路可通過特殊技術(shù)制備，但因曲面均勻半導(dǎo)體薄膜生長困難，直接集成光電陣列仍具挑戰(zhàn)性，目前僅見少數(shù)半球形器件報(bào)道。因此，亟需開發(fā)適用于任意非可展結(jié)構(gòu)的光電陣列集成方法。

針對以上難題，蘇州大學(xué)李亮教授團(tuán)隊(duì)在《Nature Materials》上發(fā)表了題為“Direct integration of optoelectronic arrays with arbitrary non-developable structures"的論文，報(bào)道了一種自組裝鈣鈦礦策略，用于將光電陣列直接集成到任意非可展曲面結(jié)構(gòu)上。該策略通過利用碘化鉛溶液的低能波動(dòng)驅(qū)動(dòng)快速成核主導(dǎo)的結(jié)晶過程，使流體前驅(qū)體憑借表面張力沿非可展基底均勻分散，再通過氣體調(diào)控自組裝成致密薄膜。

該方法可覆蓋三維尺度跨越106數(shù)量級的任意形狀基底，并以微米級精度實(shí)現(xiàn)光電二極管陣列的結(jié)構(gòu)調(diào)控。作為概念驗(yàn)證，作者將單透鏡成像系統(tǒng)的理論焦面制作為非可展曲面?zhèn)鞲衅鳎噍^于平面或半球形傳感器，有效校正了離軸彗形像差。研究中的波紋狀模型、半球形與焦平面基底均是采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（microArch® S230，精度：2 μm）制備而成，成功將單透鏡系統(tǒng)的焦面實(shí)體化，并原位集成了光電成像陣列。

圖1：鈣鈦礦薄膜在不可展基底上的自組裝。（a–c）（i）PbI2與（ii）PbI2/MAI鈣鈦礦前驅(qū)體系的光學(xué)顯微鏡圖像（a）、成核密度/裸露面積隨時(shí)間變化（b）及結(jié)晶過程示意圖（c）。（d）在直徑2 cm的半球形石英基底上沉積MPI薄膜的演示；左側(cè)縱向排列的示意圖展示沉積四階段，右側(cè)水平排列的插圖為各階段間連續(xù)薄膜變化的光學(xué)顯微鏡觀察。（e）涂覆MPI薄膜前后玻璃球?qū)Ρ?。（f）開放環(huán)境中PbI2與MA氣體反應(yīng)的化學(xué)方程式。（g）純化循環(huán)及其對應(yīng)的化學(xué)組成變化。

圖2：鈣鈦礦在多種空間結(jié)構(gòu)基底上的沉積。（a）不規(guī)則凸起包覆過程示意圖；下方為MPI包覆凸起的光學(xué)圖及凹陷區(qū)局部放大圖。（b）涂覆MPI的微型探針圖像；放大插圖為白框區(qū)域C、N、I、Pb的能譜面分布結(jié)果。（c）螺絲、透鏡及中國古代塔模型涂覆MPI后的照片。（d）波紋狀模型設(shè)計(jì)，通過3D打印技術(shù)在黃色光敏樹脂中實(shí)現(xiàn)；右側(cè)為模型涂覆MPI前后對比。（e）（f）裸基底（僅ITO導(dǎo)電層）（e）與包覆的3D打印層狀紋理（f）對比；白框內(nèi)插圖標(biāo)尺100 nm。（g）更多被MPI薄膜包覆的空間結(jié)構(gòu)展示，包括金字塔陣列、線陣列及球面線陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)。（h）上述模型的光學(xué)顯微鏡（左）與SEM（右）細(xì)節(jié)圖。（i）（j）波紋模型峰位（i）與谷位（j）處鈣鈦礦形貌圖。

圖3：在波紋基底上集成光電陣列。（a）波紋基底及其匹配的下層掩模（掩模A）與上層掩模（掩模B）。（b）在波紋曲面集成光電陣列的步驟：（i）–（vii）逐層沉積過程；（viii）最終器件。（c）波紋交叉陣列的分層結(jié)構(gòu)；下方為器件示意圖與實(shí)物圖。（d）波紋交叉陣列的空間分布，每黑點(diǎn)對應(yīng)單個(gè)像素。（e）（f）波紋陣列在平行入射光下的暗信號與光信號分布（e）及對應(yīng)統(tǒng)計(jì)（f）。（g）波紋陣列采集的“+"形光圖像。

圖4：基于單透鏡成像系統(tǒng)理論預(yù)測的傳感器。（a）單透鏡成像系統(tǒng)的像差示意圖。（b）3×3發(fā)光陣列及其經(jīng)單透鏡在平面上的成像；紅色、橙色與藍(lán)色虛線分別標(biāo)示中心、邊緣與角落圖像。（c）單透鏡擬合焦曲面。（d）利用3D打印技術(shù)獲得的半球形（i）與焦曲面（v）基底照片；（ii）–（iv）、（vi）–（viii）為兩種基底上3×3陣列在不同視角下的成像。（e）F器件示意圖及實(shí)物圖。（f）單像素響應(yīng)信號（上）及掃描模式下交叉陣列響應(yīng)（下）。（g）P、H與F器件捕獲的3×3陣列圖像。（h）三種傳感器中心（紅色）、邊緣（橙色）與角落（藍(lán)色）像素的歸一化輸出強(qiáng)度。（i）不同軸上（z）與軸外（y）位置預(yù)測rr.m.s.值的對比。

總結(jié)：該研究提出的自組裝鈣鈦礦策略滿足了非可展曲面應(yīng)用的需求。研究發(fā)現(xiàn)單溶質(zhì)碘化鉛溶液可通過低能波動(dòng)驅(qū)動(dòng)的快速成核主導(dǎo)結(jié)晶過程，在非可展基底上原位自組裝形成鈣鈦礦薄膜。該策略覆蓋了超過106數(shù)量級的三維尺度，適配任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并為非可展曲面光電器件提供了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)調(diào)控能力。通過集成理論傳感器優(yōu)化單透鏡系統(tǒng)，成功校正了傳統(tǒng)平面或半球形傳感器的彗形像差。此策略推動(dòng)了非可展曲面光電的結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)，有望促進(jìn)仿生電子學(xué)等跨學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展。