苏州大学张秀娟、揭建胜团队《AM》:夜间视觉黑科技—仿蜣螂自适应偏振视觉的高灵敏度有机单晶光电晶体管

生物界为尖端科技发展提供了深刻启示，从而加速了新型仿生电子与光电器件的发展与应用。尤其值得关注的是，蚂蚁、蜜蜂、蟋蟀和蜣螂等节肢动物对偏振光的感知能力，为环境解析提供了不同于传统光强或色彩梯度的独特信息维度，使其成为在复杂现实环境中实现自主导航、定位以及目标识别等能力的有力工具。譬如，蜣螂等夜行昆虫能在月夜照度环境下辨别极弱的天顶偏振模式，以此作为其夜间导航的参考。然而，夜间天顶光的强度往往低至 210 nW cm −2 ，且线性偏振度（DoLP）也非常低，一般小于0.29，因此对仿生偏振探测器的探测性能提出了非常高的要求。目前，仅能通过配备广角鱼眼镜头、偏振片和CMOS相机等光学元件的低照度偏振相机延时成像来实现对月夜天顶光的探测。然而，此类复杂的光学系统难以满足下一代低成本、便携化及单片集成光电器件应用的需求。此外，基于一维/二维各向异性半导体的偏振敏感光电二极管或光电导器件虽已被广泛研究，但受限于其固有的外在几何性质或内部晶格结构，其在较强光照射（>100 μW cm⁻²）且完全偏振条件下仍表现出受限的偏振灵敏度（DR< 10），尚不足以满足弱偏振光或部分偏振光的探测需求，这极大限制了其在复杂自然环境中的应用前景。

受蜣螂偏振视觉系统的启发，苏州大学张秀娟与揭建胜团队研发了一种通过电荷存储累积效应实现自适应偏振光响应的有机单晶光电晶体管器件（POL-OPT），在200 nW cm-2的超弱光环境下，经时间累积过程其偏振DR值可达到105以上，为当前偏振光探测器件中的最高水平。此外，团队构建的POL-OPTs阵列还可用于检测DoLP低至0.26的部分偏振光，达到了夜间活动蜣螂的探测阈值（0.04–0.32）。该研究为偏振成像、仿生导航和人工视觉系统等新一代高性能偏振计的研制提供了新的思路。相关研究以题为“Self-Adaptive Polarized Photoresponse in Organic Single-Crystal Phototransistors for Bionic Night-Time Polarization Perception”的论文发表在《 Advanced Materials》期刊上，潘京博士、陈帅副研究员，以及硕士生陈爽为文章的共同第一作者。

蜣螂独特的偏振视觉主要来源于其复眼背缘区域（DRA）的偏振光感受器，这些偏振光感受器由正交排列的微绒毛组成，可分别感知不同偏振角度的偏振光刺激。团队利用简易高效的刮涂工艺制备了具有强面内各向异性的有机C₈-BTBT单晶微条带阵列，高度有序排布的C₈-BTBT分子与蜣螂偏振视觉系统的正交微绒毛结构极为类似。另外，蜣螂的偏振视觉具有独特的偏振神经元用于偏振光信息的传输与处理。偏振神经元之间由突触结构桥接，可将偏振光神经信号由前神经元传递至后神经元。在此过程中，神经递质由前突触释放并传递到后突触的靶受体，靶受体对神经递质的捕获会开放其正离子通道，从而产生偏振信号输出的动作电位。研究团队敏锐察觉到这种偏振神经元的工作机制与光电晶体管的工作机制极为类似。因此团队基于有机C₈-BTBT单晶构建了具有电荷俘获效应的有机单晶光电晶体管器件，用于模拟夜行昆虫的自适应偏振视觉功能。

图1. 生物暗适应偏振视觉与有机单晶POL-OPT器件的仿生理念。

C 8-BTBT阵列较高的单晶质量和优异的形貌均一性为制备高性能的偏振光探测器阵列提供了良好的材料基础。由于各向异性的电荷捕获效应，在入射偏振光角度为0°时的转移特性曲线相对于90°时有明显的右偏，造成近20 V的偏振依赖阈值电压偏移和5.8×10 5的峰值DR。该器件的偏振灵敏度代表了目前报道的最高水平，比基于同质结或异质结的偏振敏感光电二极管高出3个数量级以上。

图2. 仿生POL-OPT器件的各向异性偏振光探测性能。

此外，POL-OPT器件还可在低照度环境下利用时间累积效应实现同样偏振灵敏度水平的有效偏振光探测。在极弱光照射下，光生电子被捕获在电介质的陷阱中心，形成局部负电场，从而增强了空穴的注入。随着时间的推移，捕获的电子数量逐渐累积，形成更强的局部负电场进而逐渐增强偏振光响应灵敏度。该工作机制使得POL-OPT能够在极弱光（200 nW/cm²）条件下，通过延长曝光时间，将DR值显著提升到>10 5，在可检测光强极限方面相较于传统偏振光探测器降低了4–6个数量级，远超传统偏振光探测器的性能。POL-OPT极佳的弱光自适应偏振敏感性使其有望模拟昆虫在低照度的月夜环境下工作。

图3. 仿生POL-OPT器件在时间累积模式下的自适应偏振探测性能。

由于 POL-OPT 独特的仿生自适应特性，其有望在传统偏振光探测器无法工作的低照度、低线偏振度的复杂环境下获取隐藏的偏振信息。因此团队在低光强（~300 nW cm −2）、低DoLP（~0.26）的仿月夜复杂环境下展示了图案化的POL-OPTs在多像素偏振成像中的应用。暗态下POL-OPTs阵列展现出难以分辨的偏振对比度，而通过时间累积过程达到峰值DR后，图案“S”的轮廓能够清晰地展现出来，实现了高对比度的偏振成像。这一成果为低成本、高性能的偏振成像系统提供了新的解决方案，有望在仿生导航、人工视觉系统等领域得到广泛应用。

图4. 仿生POL-OPT阵列器件在仿月夜复杂环境下的偏振成像。

综上，研究团队成功展示了一种超偏振敏感的有机单晶光电晶体管器件，可在复杂昏暗环境中有效检测部分偏振光。各向异性光吸收与电荷存储累积效应的结合，使其具有独特的自适应偏振灵敏度，成功模拟了蜣螂在夜间活动的暗视觉偏振感知特性。即使在200 nW/cm²的弱光下，POL-OPT经过时间累积过程可实现超10⁵的极高DR值，远超传统偏振探测器件。此外，POL-OPTs阵列在模拟月光环境下可实现自适应偏振成像，其DoLP达到蜣螂的偏振感知阈值。该成果为进一步发展适用于复杂自然环境的高性能、集成化的仿生偏振传感器奠定了坚实的基础。

原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202415530

来源：高分子科学前沿

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