4月6日，国际权威期刊《Advanced Materials》上在线发表了题为“Programmable, High-resolution Printing of Spatially Graded Perovskites for Multispectral Photodetectors（可编程、高分辨率打印梯度钙钛矿及多光谱探测应用）”的最新研究成果。我校智能制造装备与技术全国重点实验室为论文第一完成单位，我院段永青副教授，硕士生余锐、张瀚源为本文的共同第一作者，黄永安教授和尹周平教授为本文共同通讯作者，我院博士生杨唯笠、硕士生谢文硕也参与了此项研究。
微纳梯度结构的性能和功能随空间方向逐渐变化，在微型化光谱仪、全彩成像等领域有重要应用前景，但如何将梯度变化的材料直接沉积形成任意的微/纳米图案或大规模阵列仍面临重大挑战。对此，团队首次提出了一种新型的混合电流体喷印（M-ePrinting）技术，通过单喷嘴多通道同时喷射多种溶液，并通过调控每个通道上的驱动电压来控制混合液滴成分，实现梯度渐变微纳结构的原位混合和喷射。通过优化喷印参数，渐变图案的特征尺寸可以小至1 μm，这是已知喷印制备梯度结构能达到的最高分辨率。
图1 M-ePrinting的基本工艺原理及所制备的结构
为实现具有可控材料组成的钙钛矿图案/阵列的数字喷印，研究了通道切换和波形变化对喷印结果的影响，并通过仿真研究了喷印过程中泰勒锥的变化以及溶液的混合比例变化。
图2 M-ePrinting的液滴成分调控研究
为获得质量较高、缺陷减少的钙钛矿薄膜，对喷印后的干燥退火过程进行了研究。实验发现通过控制多组分液滴在基板上的混合时间，可以实现同心圆点阵或均一点阵制备。这些新颖而可控的渐变点阵可能在高密度、带隙可调器件中具有重要应用。
图3 喷印钙钛矿薄膜的后处理
基于喷印渐变钙钛矿薄膜制备了多光谱光电探测器。所制备的器件具有高开关比（1.29×103）、低响应时间（迟rise = 100 ms, tfall = 60.1 ms）和高灵敏度（R = 69.88 A/W, D* = 3.27×1015 闯辞苍别蝉）等优势，且能实现颜色识别，以及彩色图像重构等功能。
图4 梯度钙钛矿光电探测器的性能
该工作提出了一种新颖的混合喷印方法，首次喷印制备了特征尺寸达1μ尘的高分辨率渐变图案，在微型光谱仪、高光谱成像等领域具有巨大潜力。同时，该技术可以扩展到更多的通道和更多种墨水，可以实现复杂成分渐变微纳米图案的高分辨率、高效率制造，为微型化光谱仪和人工视觉系统等提供了一种有竞争力的方法，也为组分可编程结构的数字化制造开辟了新的途径。
上述研究工作获得了国家自然科学基金项目的资助。
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