综述：钙钛矿薄膜图案化在光电探测器应用中的最新进展

《Light-Science & Applications》：Recent progress in the patterning of perovskite films for photodetector applications

本综述系统梳理了钙钛矿薄膜图案化技术及其在光电探测器（PD）中的应用进展。文章重点介绍了模板限制生长、喷墨打印、气相沉积、种子诱导生长和传统光刻五种主流图案化方法，分析了不同维度（0D/1D/2D/3D）钙钛矿材料构建的光电探测器性能指标（如响应度R、探测率D*等），并展望了在柔性可穿戴设备和仿生电化学视觉系统等前沿领域的应用潜力。

　　

钙钛矿薄膜图案化方法

钙钛矿图案化技术主要包括五大类：模板限制生长、喷墨打印、气相沉积、种子诱导生长和传统光刻。每种方法通过独特的制备策略实现对钙钛矿材料生长的精确控制，以满足不同应用场景的需求。

模板限制生长图案化

该方法利用预选材料作为基底，引导钙钛矿在特定图案区域成核生长。模板可保留或移除，具有高度灵活性。例如，通过聚苯乙烯微球模板可制备三维钙钛矿光子晶体，其光子带隙可通过微球尺寸调控。

结构性模板（如阳极氧化铝模板）可直接作为器件组成部分，实现纳米线阵列的高效集成。

喷墨打印图案化

通过喷嘴将钙钛矿前驱体墨水直接沉积到基底上，无需掩模，污染风险低。采用电液动力打印技术可制备分辨率达5μm的微点阵列，并通过添加聚乙烯吡咯烷酮（PVP）抑制“咖啡环”效应。

量子点墨水结合三元溶剂体系可进一步提升薄膜均匀性，适用于柔性显示背光。

气相沉积图案化

通过控制气相前驱体在预设位点的反应，减少对钙钛矿结构的损伤。例如，利用亲疏水模板引导PbI₂微滴阵列形成，再与甲基碘蒸气反应生成MAPbI₃微晶阵列，最大可覆盖4英寸晶圆。

种子诱导生长图案化

通过预置晶种引导外延生长，降低结晶能垒。例如，在图案化氮化硼薄膜上通过物理气相沉积（PVD）生长高质量钙钛矿微晶阵列，有效减少晶格失配。

传统光刻图案化

包括聚焦离子束（FIB）、电子束光刻（EBL）和激光直写（LDW）等高精度技术。飞秒激光可在玻璃内部直接写入CsPbBr₃量子点三维结构，并实现可逆擦除与重构。

钙钛矿光电探测器性能指标

光电探测器（PD）的核心参数包括：

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  响应度（R）：R = I_ph/(P_in·A)，其中I_ph为光电流，P_in为入射光功率密度，A为有效光敏面积。
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  探测率（D）：D= R·(A·Δf)^1/2/I_{noise，反映器件对弱光的探测能力。}
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  外量子效率（EQE）：EQE = (I_ph/e)/(P_in/hν)，表征光子-电子转换效率。
  图案化技术通过调控晶界密度、电荷传输路径和界面接触，显著优化上述参数。

多维钙钛矿光电探测器

零维（0D）材料

钙钛矿量子点（QD）具有高光致发光量子产率，可用于X射线闪烁体。例如，CsPbBr₃QD与石墨烯复合的PD探测率可达10¹⁶Jones。

一维（1D）材料

纳米线（NW）与微线（MW）阵列提供直接电荷传输路径。模板法生长的MAPbI₃MW阵列响应度达13.5 A/W，响应时间快至80μs。

二维（2D）材料

钙钛矿纳米片可通过气相转换或液相剥离制备。MAPbI₃纳米片PD的响应度达22 A/W，且机械柔韧性优异。

三维（3D）材料

单晶钙钛矿具有低缺陷密度和高载流子迁移率。MAPbBr₃单晶PD的探测率高达6×10¹³Jones，适用于高分辨率X射线成像。

柔性可穿戴与仿生器件

柔性可穿戴设备

图案化钙钛矿薄膜与聚合物基底结合，可制备弯曲稳定的PD阵列。例如，CsCu₂I₃阵列用于紫外火焰探测系统，在500次弯曲循环后性能保持90%以上。

仿生电化学视觉系统

半球形钙钛矿NW阵列模拟视网膜结构，构建的电化学眼（EC-EYE）视角达100.1°，响应时间19.2 ms，优于人类视网膜。

挑战与展望

当前面临铅毒性、图案化分辨率与稳定性等核心挑战。未来需开发无铅钙钛矿成分、优化图案化工艺与封装技术，推动钙钛矿光电器件在智能传感、医疗成像等领域的实用化进程。