普渡大學開發石墨烯複合蜘蛛網架構的生物醫學3D光電子探測器

普渡大學開發石墨烯複合蜘蛛網架構的生物醫學3D光電子探測器

節肢動物的視覺系統由一個密集的陣列組成，這些陣列由遍布曲線表面的單個光電檢測元件組成。對於要求大視野和對運動高度敏感的光電傳感設備，這種複眼架構可能是有用的模型。旨在模仿複眼架構的策略涉及將光電探測器像素與彎曲的微透鏡集成在一起，但是在曲線表面上的製造受到傳統上為平面，剛性基板（例如，矽晶片）設計的標準微加工工藝的挑戰。

普渡大學的創新者正在從自然界中汲取靈感，開發用於生物醫學成像的3D光電探測器。

研究人員利用蜘蛛網的一些建築特徵來開發該技術。蜘蛛網通常具有出色的機械適應性和抵抗各種機械載荷（例如暴風雨）的破壞耐受力。本研究報導的包含有機染料敏化石墨烯雜化複合物的半球形光電探測器陣列的分形網絡設計可作為有效的光敏組件，具有增強的光吸收能力。

這項工作發表在《Advanced Materials 》（"帶有有機染料敏化石墨烯雜化複合材料的半球形光電探測器陣列的分形網絡設計"， ("Fractal Web Design of a Hemispherical Photodetector Array with Organic-Dye-Sensitized Graphene Hybrid Composites")）中。

受蜘蛛網啟發的分形設計用於半球形3D光檢測，以複製節肢動物的視覺系統。

普渡大學生物醫學工程與機械工程學助理教授Chi Hwan Lee說："我們採用蜘蛛網的獨特分形設計來開發可變形且可靠的電子產品，該電子產品可以與任何3D曲線表面無縫地對接。" "例如，我們展示了一個半球形或圓頂形的光電探測器陣列，該陣列可以同時檢測入射光的方向和強度，就像節肢動物（如昆蟲和甲殼類動物）的視覺系統一樣。"

該設備首先在微米級的平面Si晶片上製造，然後以確定的方式轉移到具有不同曲率的透明半球形圓頂上。分形腹板設計的獨特結構特性通過有效地承受各種外部負載，可以保護設備免受損壞。全面的實驗和計算研究揭示了該設備的基本設計特徵和光電特性，然後評估了其在測量入射光的方向和強度方面的實用性。分形腹板設計的獨特結構特性通過有效地承受各種外部負載，可以保護設備免受損壞。

Lee說，這提供了獨特的功能，可以根據螺旋和徑向尺寸的有效比例在整個螺紋上分布外部應力，並提供更大的可擴展性，以更好地分散拉伸時的力。在維持整個網狀體系結構的整體強度和功能的同時，還可以忍受線程的細微切割。"由此產生的3D光電體系結構對於要求大視野和廣角抗反射的光檢測系統特別有吸引力，這對於許多生物醫學和軍事成像目的將是有用的。"

這項工作建立了一個平臺技術，該技術可以將分形網絡設計與系統級半球形電子設備和傳感器集成在一起，從而提供多種出色的機械適應性和對各種機械負載的耐受力。

這項工作中提出的組裝技術使2D變形電子設備可以在3D架構中部署，這可能預示了新的機會，可以更好地推進3D電子和光電設備領域。