蜘蛛网启发设计提升3D光电探测器性能：生物医学成像新突破

普渡大学创新团队借鉴自然智慧

普渡大学创新者从蜘蛛汲取灵感，开发更好的3D光电探测器用于生物医学成像。

受蜘蛛网重复建筑模式启发，团队演示了弹性强、穹顶状光电探测器阵列，能同时检测入射光方向和强度，类似节肢动物（昆虫、甲壳类）复眼视觉系统。

"我们利用蜘蛛网独特分形设计开发可变形可靠电子学，能无缝对接任意3D曲面，"普渡大学生物医学工程和机械工程助理教授李奇焕（Chi Hwan Lee）表示。

此类3D光电子架构对需要更大视野、更宽视角、更高运动灵敏度的光电探测系统极具价值。

工作发表于在线期刊《Advanced Materials》 .

为何选择蜘蛛网？

蜘蛛网以提供卓越力学适应性和抗损伤容忍度著称，即使风暴中也是如此。

李奇焕团队分形网设计独特结构性能通过有效螺旋与径向尺寸比有效分布外部诱导应力，保护器件。

受自然架构启发，李团队光学排布按螺旋与径向有效比例将外部诱导应力分布至各线程。

半球光电探测器阵列含有机染料敏化材料：石墨烯混合复合材料。器件先在平面硅晶圆微观尺度制造，再确定性地转移到不同曲率透明半球穹顶上。

"网"提供更大延展性更好耗散拉伸力。此外设计容忍线程微小切割同时保持整体网架构整体强度和功能。

专家问答：深度解析技术创新

以下简短编辑问答中，李教授向Tech Briefs解释蜘蛛结构如何引领新型可变形电子学。

Tech Briefs：为何光电子架构采用网状设计有价值？

李奇焕教授：部署在曲面上的光电子材料和器件提供质的扩展功能，实现无像差大视野，类似节肢动物复眼视觉系统。这些3D光电子架构对需要大视野和宽角抗反射的光电探测系统特别有吸引力。工程复眼模仿系统最有前景的程序涉及在精心对齐方式下直接在曲面或半球面印刷光敏像素。

Tech Briefs：这种设计最令人兴奋的应用或可能性是什么？

李教授：这些努力为实现各种3D形式光电探测器铺平道路，但该领域进展受阻于微观尺度将光电子器件和组件组装到非平面表面、匹配光电探测器阵列形状与固定半球曲率的复杂性。

为应对挑战，我们采用自然界发现的蜘蛛网结构架构或分形设计，能高效抵抗环境各种机械载荷。在所有尺度重复模式的分形网设计提供独特能力：(1)按螺旋径向有效比将外部诱导应力分布至各线程；(2)提供更大延展性更好耗散拉伸力；(3)容忍线程微小切割同时保持整体网架构整体强度和功能。

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Tech Briefs：你们的阵列效果如何？

李教授：我们的3D光电探测器不仅提供检测入射光方向和强度的先进光电子功能，还通过新型有机染料敏化石墨烯混合复合材料作为柔性高效光活性组件，实现优于其他同类对手的光响应度。

由此产生的3D光电子架构对需要大视野和宽角抗反射的光电探测系统特别有吸引力，将服务于许多生物医学和军事成像目的。

Tech Briefs：研究下一步是什么？

李教授：我们的工作建立平台技术，可将分形网设计与系统级半球电子学和传感器集成，从而提供对各种机械载荷（如蜘蛛网）的优异力学适应性和抗损伤容忍度。本工作呈现的组装技术实现2D可变形电子学在3D架构部署，可能预示推进3D电子和光电子器件领域的新机遇。美国专利通过OTC申请中，我们寻求合作伙伴并考虑技术授权。

此工作获国家科学基金会（NSF；CMMI-1928784）和空军研究实验室（AFRL；S-114-054-002）支持，与普渡ECE穆罕默德·阿什拉夫·阿拉姆教授实验室合作。工作发表于《Advanced Materials》 .

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