面向多功能光电子应用的自支撑薄膜与柔性光电探测器的先进设计策略

《Materials Today Nano》：Toward Advanced Design Strategies of Self-Supported Films and Flexible Photodetectors for Multifunctional Optoelectronic Applications

　　

# 摘要

薄膜基柔性光电探测器凭借轻量化、便携性和结构灵活性等优势，展现出广阔的应用前景。其中，自支撑薄膜克服了基底固有的缺点，如机械柔性差、热稳定性有限、化学相容性差等问题，同时具备优异的共形附着能力，能够紧密贴合于各种不规则表面。基于此类薄膜构建的柔性光电探测器为柔性器件和可穿戴电子技术的创新提供了关键的材料支撑。然而，目前仍缺乏对薄膜基（尤其是自支撑）柔性光电探测器的系统、全面的综述。本文首先全面概述了传统柔性光电探测器中所用薄膜的主要制备技术及其相关局限性。在此基础上，系统梳理了自支撑柔性薄膜的核心制备策略，包括牺牲层和可溶性基底的引入、物理剥离以及无基底直接制备方法。此外，重点强调了薄膜基柔性器件在光学突触模拟、心率监测、人机交互、光学成像、光通信以及微环境检测等前沿领域的最新研究进展。最后，深入讨论了当前面临的挑战，并提出了推进新型全柔性光电探测器发展的未来方向，旨在引导自供能柔性薄膜在下一代柔性器件中的进一步应用。

# 引言

随着现代化的快速发展，电子皮肤[1]、手环[2]、镜片[3]和织物[4]等可穿戴设备凭借与人体的良好兼容性，在医疗护理[5,6,7,8,9,10,11]、运动追踪和增强现实等民用领域，以及信息监控和安全防御等军事应用[12,13,14,15]中展现出广泛的应用前景。作为可穿戴领域的核心基础，能够实现光电信号转换且轻量化、便携式、可折叠的柔性光电探测器已成为推动其深远发展的首要任务。例如，Polat等人采用湿法处理技术将石墨烯转移到柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）和聚酰亚胺（PI）基底上，并通过旋涂法在石墨烯表面形成硫化铅胶体量子点（QD）层[16]。基于半导体量子点敏化的石墨烯，所设计的柔性光电探测器被集成到多种可穿戴设备中，如移动设备屏幕上的健康贴片、紫外线（UV）贴片和透明手环等。2014年，报道了基于可穿戴全碳纳米管（CNT）的光电探测器阵列，利用高导电双壁碳纳米管作为柔性电极，高富集的半导体单壁碳纳米管作为沟道材料[17]。值得注意的是，碳纳米管图案可以转移到各种基底上，极大地扩展了器件的应用场景。突破传统工艺限制，Zhao等人开发了一种手写方法，可以在纸张、纺织品和橡胶等各种基底上绘制多色钙钛矿发光二极管和钙钛矿光电探测器，为可穿戴设备在多种场景中的新兴应用提供了可行路径[18]。

显然，柔性基底的选取、薄膜材料的开发以及器件结构的设计对于实现具有优异弯曲性能的柔性光电探测器至关重要。在这三者中，柔性基底在传统柔性器件中发挥着关键作用，因为这些器件是将半导体材料旋涂或沉积在特定的柔性基底上构建而成的[19,20,21,22,23,24,25]。这些器件的整体柔性来源于基底的物理形变，而非半导体材料本身的固有柔性。不幸的是，基底与材料之间界面结合不足可能导致柔性光电探测器在反复弯曲时性能下降。另一方面，对特定基底的强依赖性在很大程度上限制了柔性光电探测器在可穿戴领域的实际应用。

为了有效避免这些问题，通过持续研究，自支撑半导体薄膜应运而生。顾名思义，自支撑薄膜无需基底支撑即可独立保持稳定，并且在无需依赖任何柔性基底的情况下即可具备优异的柔性。它们是一类完全脱离其原生生长基底的薄膜材料，展现出独立的结构完整性和向任意目标基底的可转移性。此类薄膜可以贴合各种复杂曲面，不受原基底晶格结构、热膨胀系数和宏观形貌等约束。因此，许多研究者致力于开发具有自支撑特性的柔性薄膜，目前主要策略包括物理或机械剥离以及引入牺牲层。此外，选用可溶性基底也是获得自支撑薄膜的有效方法。该方法以可溶性基底（如NaCl、KCl等）作为薄膜生长的基础，然后利用其高水溶性将基底溶解，从而获得无基底支撑的目标薄膜。

值得注意的是，随着电子技术的快速发展和持续探索，新兴打印技术也可以直接实现柔性光电探测器的构建，突破传统工艺的限制。尤其重要的是，这些技术可以与PET、PEN、PI、纸张和云母等多种柔性基底具有良好的兼容性，并能实现任意图案化设计，使其成为目前柔性电子器件领域的重要研究方向[26]。例如，通过干湿混合直接打印工艺制备了石墨烯和氧化锌，并以它们分别作为电极层和光敏层构建了光暗电流比高达10?的柔性紫外光电探测器[27]。采用全打印方法还制备了Ge?Sb?Te?/Ag柔性红外光电探测器阵列，其在980 nm光照下的响应度为6.7×10? A/W[28]。此外，基于Ga?O?和WS?等材料、采用打印技术制备的柔性光电探测器也已有报道[29,30]。然而，这些打印柔性光电探测器通常需要多步复杂加工和化学处理。

显然，基于自支撑薄膜的柔性光电探测器研究已取得重大进展。为了有效加速此类器件的发展并拓宽其在柔性电子领域中的实际应用，系统性的综述是必不可少的。本文旨在全面阐述自支撑薄膜基柔性光电探测器的设计理念与制备策略，深入分析各种方法的优缺点，并对其在可穿戴器件领域的应用进行系统总结。遗憾的是，目前仍然缺乏专门针对自支撑柔性光电探测器的全面且更新的综述。本文首先总结了传统柔性薄膜的制备方法及所依赖的各类基底，并分析了其主要局限性。在此基础上，讨论了自支撑薄膜的关键制备策略，如物理/机械剥离、牺牲层的引入以及可溶性基底的使用。接着，详细讨论了此类柔性器件作为柔性生物基体、传感层、可穿戴传感器和人机交互系统有源器件等的应用前景。此外，我们还突出了一些有前景的未来研究方向，讨论了下一代全柔性光电探测器的潜在进步（如图1所示）。本综述对于推动和启发柔性光电探测器作为现代信息时代和智能时代的关键器件在柔性电子领域的应用具有重要作用。

# 各章节概述

## PET基底

对于传统柔性光电探测器，基底应具有良好的可变形性，以便承受弯曲和拉伸等各种形变，同时在变形过程中保持优异的机械稳定性，确保光电探测性能不受显著影响。包括PET、聚碳酸酯（PC）、PEN、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和PI在内的聚合物材料兼具柔性与易于加工的优点，已成为最常用的基底材料。

## "去基底"策略

不受基底约束的自支撑薄膜逐渐成为柔性光电器件持续探索中的研究焦点。这些薄膜以均匀独立的实体存在，避免了刚性基底的约束，减轻了异质界面带来的不利影响，从而能够承受更剧烈的机械形变，如弯曲、拉伸、折叠甚至扭转。其柔性完全取决于薄膜材料本身的性质。

## 自支撑薄膜的器件结构设计

自支撑薄膜不受基底约束，为器件提供了传统基底支撑系统难以实现的结构设计灵活性。与传统平面器件结构相比，垂直结构器件中电极之间的距离由活性薄膜的厚度决定。同时，施加偏压建立的电场垂直于薄膜平面，与载流子传输方向一致。

## 光电人工突触

人工突触在人工智能和神经形态计算领域受到越来越多的关注，能够实现具有识别、学习和记忆等神经形态功能的下一代机器人和类人感觉电子设备[149,150]。在此背景下，基于柔性薄膜的光电探测器通过将光信号转换为电信号，展现出独特的应用价值，这一特性使其能够模拟神经元信号传导过程。

## 总结与展望

如本综述所述，柔性薄膜作为柔性光电探测器的核心功能材料，尤其是自支撑薄膜，凭借其优异的机械柔性、共形附着能力、可定制结构设计的潜力以及摆脱柔性基底内在约束的独特优势，已逐步发展成为下一代柔性光电探测器领域中极具应用价值的核心材料体系。

# 利益冲突声明

无利益冲突需要声明。

# 数据可用性

数据可按请求提供。

# 竞争性利益声明

? 作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。

# 致谢

本研究得到国家自然科学基金（编号：22473071）、国家自然科学基金委员会单原子催化研究中心（编号：22388102）、陕西省三秦人才计划（编号：Z20250154，Z20250158）、陕西省自然科学基础研究计划（编号：2025JC-YBQN-698）、陕西省教育厅重点实验室项目（编号：25JS028）以及陕西理工大学引进人才科研启动项目资助。

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