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。

1. 对分裂环结构的润湿性、蒸发自组装及光电子器件进行了系统研究。提出的分裂环亲液图案可以将前驱体溶液定向输运至面积更小的位点进行沉积，提高了图案化钙钛矿晶膜的致密性和均匀度。

2. 开发了一种双功能激光蚀刻方案，可以高通量的一步制备分裂环亲液图案及相应的图案化电极阵列。

3. 基于钙钛矿光电探测器阵列的非接触式人机界面已成功应用于可穿戴设备、汽车显示器、机器人远程控制等。

上海大学巫金波课题组与哈佛大学/麻省理工张兴才课题组等人通过在疏液修饰的衬底表面进行激光刻蚀的方法，开发了一种新颖的分裂环型亲液图案，该图案可以高效地捕获钙钛矿前驱体液滴，并辅助液滴发生第二次去润湿过程，将大量的液滴定向输运至较小的沉积位点，实现CsPbBr₃晶膜的致密、均匀沉积。在此基础上，他们巧妙利用了纳秒脉冲激光的热效应，以同时制备分裂环型亲液图案及对应的图案化电极，极大地简化了阵列式微器件的生产工艺。基于此分裂环型钙钛矿光电探测器，本研究将探测器阵列作为人机交互界面，应用于柔性可穿戴器件进行数字的书写识别、汽车中控屏幕进行三维手势控制以及非接触场景中进行机器人的远程操控，充分展示了该交互界面的广泛应用。

I 分裂环型亲液图案辅助去润湿的机制

在水平外力作用下，钙钛矿前驱体溶液的三相接触线与分裂环图案的亲液性边界相遇，溶液被钉扎而形成液桥。在外力的持续拉动下，液桥逐渐变薄、变窄直至破裂，并在亲液位置留下子液滴。与此同时，分裂环图案缺口处的三相线由于钉扎力和表面张力之间的不平衡，会自发在图案内部产生第二次去润湿，形成分裂环型的图案化液滴(图2b-c)。与实心的亲液图案相比，分裂环图案可以减少62%的可沉积面积，并在表面捕获效应的主导下，实现钙钛矿晶膜的致密沉积。该过程无需任何钝化剂或空间模板，为溶液法制备图案化微器件提供了新的思路(图2d-g)。

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

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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