纸基钙钛矿多晶太赫兹调制器：突破性柔性器件赋能高性能成像与存储

为突破刚性基底钙钛矿器件在太赫兹(THz)调制中的局限性，中国科学院团队创新性开发纸基CH3NH3PbI3多晶调制器。该器件在450nm激光激发下实现32%的THz透射调制深度和35%反射抑制，弯曲状态性能稳定，并通过74GHz干涉条纹红移实现像素编码与图像存储。其卓越的柔性、低信号损耗特性为可穿戴光电器件与光学存储系统开辟新路径。

　　

论文解读

研究背景：破解太赫兹调制瓶颈

太赫兹波（THz）凭借宽带覆盖与相干性优势，在通信、生物医学成像及无损检测领域极具潜力。然而，当前主流基于石英基底的钙钛矿调制器件存在明显局限：刚性结构难以适配可穿戴场景，调制深度不足（常低于20%），且反射信号损耗导致成像精度受限。尤其随着柔性电子设备需求激增，开发兼具高效调制与机械柔性的新材料体系成为行业迫切需求。

研究方案与方法

中国科学院研究团队创新性地将有机-无机杂化钙钛矿CH₃NH₃PbI₃与纸基基底结合，通过关键三步技术实现突破：

1. 基底优化：对比石英基与纸基（纤维素材料）表面特性，采用低温退火工艺（110°C）调控多晶生长；
2. 太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）：量化分析透射/反射调制性能，使用650nm连续激光激发样品；
3. 柔性应力测试：建立弯曲半径-调制深度关联模型，验证器件机械稳定性。

研究结果与发现

1. 实验细节：材料结构与性能基础

SEM成像揭示纸基多晶独特优势：石英基样品在130°C退火后形成30μm晶粒（图2a），而纸基110°C退火样品呈现致密微晶结构（图2b），显著增加载流子迁移界面，为高效光电转换奠定基础。

2. 结果与讨论：三重性能突破

• 调制效能跃升：在0.3THz频段，纸基器件透射调制深度达32%（石英基<20%），反射损耗降低35%（图3c）；
• 柔性稳定性：弯曲半径5mm时仍保持28%调制深度（图4d），突破刚性器件形变失效瓶颈；
• 动态调谐能力：通过调节激发光功率密度（50-200mW/cm2），实现THz干涉条纹74GHz红移（图5e），为光学编码提供新机制。

3. 应用验证：成像与存储实现

基于透射调制特性构建像素编码系统（图6f），成功存储并动态显示"THz"字符图像。单像素点尺寸控制达100μm，证实其在微图案化显示与高密度光存储的应用潜力。

结论与意义

该研究通过纸基钙钛矿CH₃NH₃PbI₃多晶实现三大颠覆性进展：

1. 性能指标突破：32%透射调制深度与35%反射抑制远超传统刚性器件；
2. 柔性-功能统一：首例在弯曲状态维持高性能的THz调制器，适配可穿戴设备需求；
3. 应用范式创新：利用74GHz红移效应实现THz波段图像动态存储，为无芯片光学存储提供新方案。

此项发表于《Optical Materials》的工作不仅解决了柔性THz调制器的核心性能瓶颈，更开创性地将纸基材料从被动基底转化为功能载体。团队负责人Bo Zhang指出："该器件使低成本制造大面积太赫兹成像模组成爲可能，在医疗贴片式诊断仪、折叠式安检设备等场景具颠覆性应用潜力"。

（注：所有数据及结论均基于原文实验，作者姓名与机构名称保留原始表述，专业术语首次出现时标注英文缩写，化学式使用_{/^{标签规范表达）}}