蜘蛛式设计为更好的光电探测器铺平道路

普渡大学的创新者们正在从蜘蛛身上获取线索，以开发更好的 3D 光电探测器用于生物医学成像。

受蜘蛛网重复架构模式的启发，该团队展示了一种弹性的圆顶形光电探测器阵列，可以同时检测入射光的方向和强度，就像昆虫和甲壳类动物等节肢动物的复眼视觉系统一样.

“我们采用蜘蛛网的独特分形设计来开发可变形且可靠的电子设备，可以与任何 3D 曲线表面无缝连接，”普渡大学生物医学工程和机械工程助理教授 Chi Hwan Lee 说。

这种 3D 光电架构对于需要更大视场、更宽视角和更高运动灵敏度的光电探测系统尤其有价值。

该工作发表在在线期刊 Advanced Materials .

为什么是蜘蛛网？

众所周知，蜘蛛网即使在暴风雨中也能提供出色的机械适应性和抗各种机械载荷的损伤容限。

Lee 和他的团队的分形网页设计的独特结构特性通过有效承受各种外部负载来保护设备。

受自然结构的启发，Lee 和他的团队的光学布置根据螺旋和径向尺寸的有效比例将外部诱导的应力分布在整个螺纹中。

半球形光电探测器阵列包含一种有机染料敏化材料：石墨烯混合复合材料。该器件首先在微尺度的平面硅晶片上制造，然后以确定的方式转移到具有不同曲率的透明半球形圆顶上。

“网”提供更大的延展性以更好地分散拉伸下的力。此外，该设计允许对线程进行少量削减，同时保持整个 Web 架构的整体强度和功能。

在经过编辑的简短问答中，技术简介 下面，李教授解释了蜘蛛结构如何导致一种新型的可变形电子器件。

技术简介 ：为什么光电架构具有类似网络的设计很有价值？

教授。李志焕： 分布在曲线表面上的光电材料和设备提供了定性扩展的功能级别，能够实现无像差的大视野，类似于节肢动物的复眼视觉系统。这些 3D 光电架构对于需要大视场和广角抗反射的光电探测系统特别有吸引力。为了设计一个复眼模拟系统，最有希望的方法是在曲面或半球形表面上以仔细对齐的方式直接打印感光像素。

技术简介 ：这种设计最令人兴奋的应用或可能性是什么？

教授。李： 这些努力为实现各种 3D 形式的光电探测器铺平了道路，但由于将光电器件和组件组装到微尺度的非平面表面以及将光电探测器阵列的形状与固定的半球形曲率匹配的复杂性，阻碍了该领域的进展。

为了应对这一挑战，我们采用了自然界中发现的蜘蛛网的结构架构或分形设计，它能够有效地抵抗来自环境的各种机械载荷。在所有尺度上展示重复图案的分形网设计提供了独特的功能：（1）根据螺旋和径向尺寸的有效比率将外部引起的应力分布在整个螺纹中； (2) 提供更大的延展性，以更好地分散拉伸下的力； (3) 在保持整个 Web 架构的整体强度和功能的同时，容忍线程的微小削减。

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技术简介 :你的阵列效果如何？

教授。李： 我们的 3D 光电探测器不仅在检测入射光的方向和强度方面提供了先进的光电功能，而且与其他类似的对应物相比，通过使用新型有机染料敏化石墨烯杂化复合材料作为灵活有效的光活性组件，还提供了卓越的光响应性.

由此产生的 3D 光电架构对于需要大视场和广角抗反射的光电探测系统特别有吸引力，可用于许多生物医学和军事成像目的。

技术简介 ：您的研究下一步是什么？

教授。李： 我们的工作建立了一种平台技术，可以将分形网页设计与系统级半球形电子设备和传感器集成在一起，从而提供多种出色的机械适应性和对各种机械负载的损伤容限（如蜘蛛网）。这项工作中提出的组装技术能够在 3D 架构中部署 2D 可变形电子器件，这可能预示着更好地推进 3D 电子和光电器件领域的新机遇。美国专利正在通过 OTC 提交，我们正在寻找合作伙伴，并希望获得该技术的许可。

这项工作得到了美国国家科学基金会 (NSF; CMMI-1928784) 和空军研究实验室 (AFRL; S-114-054-002) 的支持，并与普渡大学 ECE 的 Muhammad Ashraf Alam 教授实验室合作.该工作发表在 Advanced Materials .

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