【儀表網 研發快訊】近日，Science Advances雜志報道了中國科學院理化技術研究所李明珠研究員課題組在片上集成偏振光電探測器研究上取得的最新進展。研究團隊創新性地開發了一種納米壓印限域結晶法(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個四取向光柵陣列的鈣鈦礦單晶薄膜，實現了光調控功能的微納光學結構與光電敏感材料的一體化，并且成功構筑了可單次拍攝的超薄偏振探測器件。該偏振光電探測器是一種緊湊型片上光電器件，無需偏振光學元件，可成功應用于視覺去霧、聚合物應力可視化以及組織中癌變區域的檢測等領域。該工作為開發單次拍攝的高靈敏、小型化和片上集成偏振成像系統提供了新思路(Sci. Adv. 2024，10, eadr5375 )。
偏振成像具有探測維度多，精度高，對比度高，去霧、去偽、去反光，環境適應性強等優點，被應用于遙感成像、目標識別和機器視覺等領域。國家航天局發布的《2021中國的航天》白皮書中指出，嫦娥系列月球探測器、天文一號火星探測器為代表的航天測控任務，對高精度、多維度的偏振載荷技術提出了需求。全國氣象發展十四五規劃中，中國氣象局同樣提出了對多偏振探測的需求。2024年2月，Science新聞報道：美國宇航局將耗資數十億美元研發高精度偏振成像探測器，用以觀測海洋生物景觀。因此，偏振成像探測在航空航天、氣象探測等領域起著不可或缺的作用。
目前，商用偏振成像系統通常由多種光學元件組成，復雜笨重且難以小型化。市場對于小型化集成化偏振探測系統的需求日益提高。高度集成、設計簡化、低成本且無需偏振光學組件的高靈敏單次拍攝的偏振探測器件的設計與制備，成為人們關注的重點 。
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，而不會迷路，這是因為其復眼的感光細胞具有偏振光感知能力。感光細胞中存在兩組相互垂直的微絨毛，這使得其對入射光的偏振方向敏感(圖1A-C)。受沙蟻復眼啟發，李明珠課題組利用納米壓印輔助的一步溶液結晶法(nanoimprinting crystallization)制備了表面具有6400個四向光柵陣列的鈣鈦礦單晶薄膜(4D-G-PSCTF)(圖1D)。由于偏振敏感結構是在鈣鈦礦的原位結晶過程中形成的，因此不會損傷材料光電性能，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)?；?D-G-PSCTF，該課題組設計并構筑了一個無需其他標準偏振光學元件的單次拍攝的片上集成偏振光電探測器，并實現了高靈敏的偏振成像(圖1I)。
圖 1. 受沙蟻復眼啟發的用于單次拍攝偏振成像的片上集成偏振探測器
片上集成偏振探測器件可以對已知偏振角和偏振度進行精準探測(對偏振角和偏振度的探測準確度分別為 ± 1.2°和 ± 0.1)，因此能夠應用于仿生偏振導航和偏振成像(圖2A-C)。該工作設計了不同的應用場景來展示片上集成偏振探測器件的偏振成像性能(圖2D)。在霧場景中，通過普通光學成像是看不到清晰圖案的，而片上集成偏振探測器件能夠在霧場景中實現清晰的圖像復原。此外，片上集成偏振探測器件能夠獲取清晰的指紋，觀測到塑料尺中的應力分布，實現無需染色的組織癌變區域檢測。
圖 2. 仿生片上集成偏振探測器在導航和偏振成像的應用
該工作提出的納米壓印限域結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，基于此構筑的仿生單次拍攝的偏振光電探測器是一種簡單、經濟高效的高靈敏度偏振成像系統，該設計理念為偏振成像系統的高靈敏、小型化和片上集成提供途徑。
該工作是中國科學院理化技術研究所李明珠研究員團隊在利用納米壓印限域結晶法制備仿生圖案化光電器件的最新進展之一。在過去的幾年里，該團隊利用納米壓印限域結晶法構筑了系列具有仿生微納結構的鈣鈦礦薄膜，構筑了高效彩色太陽能電池，(Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702960，Adv. Mater. 2021, 33, 2008091)，和偏振光電探測器(Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 16456-16462，Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2100742)。除此之外，該團隊還利用納米壓印限域結晶法制備了表面圖案化鈣鈦礦單晶微板定向激光器，實現了具有定向發射特性的鈣鈦礦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；第一單位是中國科學院理化技術研究所。本工作得到中國科學院江雷院士的指導，以及中國科學院化學研究所宋延林教授的幫助。研究工作得到了國家杰出青年科學基金(22225502和52125302)、國家自然科學基金資助項目(22435004、22073107、52350012和22075009)科技部重點研發計劃(2022YFE0202000和2021YFA0715700)、中國科學院國際合作局(201620151002及111引智計劃(B14009)等項目的資助。
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