编辑推荐：
为解决钙钛矿材料图案化过程中存在的工艺复杂、成本高、效率低等问题，研究人员开展了基于二元混合卤化物钙钛矿薄膜直接光图案化的研究。结果实现了可擦写光子图案及多级图案编码技术，为钙钛矿基可擦写光子图案化器件集成提供了策略。
在科技飞速发展的当下，信息安全至关重要，光学加密领域也备受关注。钙钛矿材料因具有优异的光电性能、可溶液加工、晶体结构多样以及光致发光量子产率高等优势，在图案化光电器件领域极具潜力。然而，传统的自上而下的半导体图案化策略并不适用于溶液处理的钙钛矿材料，现有的溶液处理方法如喷墨打印、模板辅助打印和蘸笔打印等，也存在加工效率低、不均匀、工艺复杂和成本高等问题。同时，已有的钙钛矿材料图案化技术，像直接激光写入（DLW）技术和直接光刻技术，虽然取得了一定成果，但也有各自的局限性，如量子点合成过程复杂、光刻过程会不可逆地降低材料的光物理性质等。因此，开发一种低成本、高通量、高分辨率的钙钛矿材料微尺度图案化方法迫在眉睫。
郑州大学等研究机构的研究人员针对上述问题展开研究，他们通过直接光图案化技术，在二元混合卤化物钙钛矿薄膜的基础上，实现了可擦写的光子图案，并开发了可擦写光子图案加密和多级图案编码技术。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为基于钙钛矿材料的可擦写光子图案化器件的集成提供了新的策略和机遇，在信息安全领域具有重要意义。
研究人员开展该研究用到的主要关键技术方法有：通过控制离子迁移和光化学反应机制，在二元混合卤化物钙钛矿薄膜上实现图案化；利用 X 射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、光致发光光谱（PL）等多种表征手段对钙钛矿薄膜的结构、形貌和光学性能进行分析；运用密度泛函理论（DFT）计算研究离子迁移活化能；借助神经网络辅助图像识别实现图案信息的高效解码。
研究结果如下：
- 直接光图案化技术：通过控制二元混合卤化物钙钛矿薄膜内的离子迁移，实现了具有自擦除功能的图案化技术。该技术利用光掩模，使空心区域允许紫外线（UV）通过，引发卤离子迁移，而非空心区域阻止 UV 通过，从而实现光子图案。图案信息在 UV 光照下读取，读取的同时图案信息擦除，避免信息二次泄露。此技术具有低成本、与多种基底兼容、可实现不同钙钛矿组成图案化等优点。
- 离子迁移的晶面依赖性：不同晶面的钙钛矿具有不同的离子迁移速度，这是由于卤离子迁移活化能不同。研究人员通过添加 1 - 丁基 - 3 - 甲基咪唑双（三氟甲基磺酰）亚胺（BMITFSI）调控钙钛矿薄膜的晶面，发现（110）晶面主导的钙钛矿薄膜离子迁移速度更快，其离子迁移活化能比（100）晶面更低，实验和理论计算结果相符。
- 图案化的光化学反应机制：以（110）晶面主导的MAPbBr3钙钛矿薄膜为研究对象，分析图案化的光化学反应机制。研究发现，通过调节甲基碘化铵（MAI）的掺杂浓度和 UV 光照时间，可以控制钙钛矿薄膜的光致发光光谱，实现高对比度图案。光致发光光谱蓝移是由于相分离过程中富碘相的降解，而富碘相的降解是因为CH3NH3+离子在 UV 光照下发生去质子化反应，导致钙钛矿结构分解。
- 光子图案的制备与加密：利用混合卤化物钙钛矿薄膜可实现可控颜色转变的特性，通过直接光图案化技术制备了自擦除光子图案加密芯片。该芯片的图案分辨率可达 3175 PPI，具有高保真图案和快速自擦除功能，且多次加密、解密和自擦除实验表明其可靠性高，在不同湿度条件下也具有良好的稳定性。
- 自擦除多级图案编码：为丰富信息传输内容，研究人员制备了自擦除二维码（QR）和多级图案编码芯片。通过严格控制光子图案的长度和宽度制定二进制加密规则，并利用神经网络辅助图像识别实现更准确高效的图案信息解码，展示了该编码技术的高安全性。
研究结论和讨论部分指出，该研究首次通过直接光图案化技术，为基于钙钛矿薄膜的自擦除光子密码芯片的制备提供了简单有效的策略。光子图案信息的快速加密、解密和自擦除依赖于二元混合卤化物钙钛矿薄膜内可控的离子迁移，这主要源于钙钛矿薄膜晶体取向的调制，降低了离子迁移活化能，加快了离子迁移速率。同时，神经网络辅助的多级光子图案编码和解码具有更高的数据存储容量和更安全的防伪特性。未来，使用微米级光斑的激光有望进一步提高光子图案芯片的处理效率和分辨率。该研究为智能光子密码芯片的研究提供了新视角，也为大规模、高通量的钙钛矿薄膜可擦写图案制备开辟了新范式。
