Nat. Commun.：利用高密度MoS2-石墨烯曲面圖像傳感器陣列制備的人眼激發軟光電子器件

【引言】

使用軟材料和/或超薄器件設計制備的軟生物電子器件已經引起了人們的廣泛關注，特別是在可植入器件應用的領域中。例如，將用硅膠密封的軟神經植入物植入到患者體內后能夠有效地刺激脊髓修復損傷的腿部；此外，與周圍神經相連的超薄假體皮膚能夠感知外界的機械/熱信號，并將相應的信號傳遞給大腦。類似地，軟生物電子裝置可以在視網膜變性患者（例如黃斑變性或視網膜色素變性）的病變眼內發揮重要作用。

更重要的一點是，軟生物電子器件為新一代可植入裝置的出現提供了可能，這得益于其柔軟的機械性質，使得組織損傷和免疫應答的影響都降到最低程度。然而，由于傳統的成像模塊及其組成材料的大體積和剛性，用于光學傳感和視網膜刺激的柔順性可植入光電子裝置尚未開發出來。而本文則主要介紹了一種利用高密度MoS₂-石墨烯曲面圖像傳感器陣列制備人眼激發軟光電子器件的方法。這種裝置可以檢測光學信號，并且將編程的電刺激施加到視神經，而對視網膜的機械副作用很小。

【成果簡介】

近日，來自美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Nanshu Lu和首爾國立大學的Dae-Hyeong Kim（共同通訊作者）等人在近期的Nature Communications期刊上發表了一篇題為“Human eye-inspired soft optoelectronic deviceusing high-density MoS2-graphene curved image sensor array”的文章。文章主要介紹了一種利用高密度MoS₂-石墨烯曲面圖像傳感器陣列制備人眼激發軟光電子器件的方法。研究人員通過理論建模和有限元分析來證實所提出的軟材料和超薄器件設計的有效性。他們認為超薄半球形彎曲圖像傳感器的陣列可以作為軟視網膜植入物中有效的成像元件。這種裝置可以檢測光學信號，并且將編程的電刺激施加到視神經，而對視網膜的機械副作用很小，是一種極具應用前景的電子器件。

【圖文導讀】

圖1 基于MoS₂-石墨烯異質結構的高密度彎曲圖像傳感器陣列

a 基于MoS₂-石墨烯異質結構的高密度CurvIS陣列的示意圖；

b 高密度CurvIS陣列的光學相機圖像；

c 設備設計的示意圖；

d MoS₂-石墨烯光電晶體管的橫截面透射電子顯微鏡圖像（左）和MoS₂-石墨烯異質結構的放大圖像（右）；

e 高密度CurvIS陣列在凹半球上的光學（左）和放大的掃描電子顯微鏡（右）圖像。

圖2 半球形圓頂器件陣列上誘導應變的理論分析

a 分析中使用的近似值的示意圖；

b,c 兩種膜上徑向b和環向c的應變分布；

d,e 徑向d和環向e的應變繪制為徑向坐標r的函數；

f 具有不同半徑膜的最大拉伸徑向應變（左）和拉伸環向應變（右）。

圖3 使用彎曲圖像傳感器陣列所進行的裝置的表征和成像

a 在平面基板上具有截面為二十面體設計的光電晶體管陣列的光學照相機圖像；

b 在不同光線（515nm）強度下，光電晶體管的傳輸曲線；

c 歸一化的光電流在不同光強下的變化；

d MoS₂-石墨烯光電晶體管的光響應性與相同厚度的硅光電探測器的比較；

e 在不同光強的紅外光照射（850nm）下，標準化的光電流發生變化 ；

f 由CurvIS陣列捕獲的Sigma形圖像；

g 與圖3f相同的圖像，但是在紅外照射下獲取。

圖4 受人眼啟發的軟光電子器件

a 人眼結構的示意圖；

b 用軟光電子器件顯示眼結構的示意圖；

c （ii）軟光電子器件，（iii）柔性膜器件和（iv）基于晶片的電子器件與（i）裸眼模型相連接，并顯示出模型變形的微CT圖像（左）和放大圖像（右）；

d 由三種不同植入裝置所引起的應力；

e 正常視網膜和植入軟光電子器件視網膜的染色組織圖片；

f （i）沒有任何裝置，（ii）具有軟光電裝置，（iii）具有柔性薄膜裝置和（iv）具有基于晶片的電子裝置的眼模型的最大主應變的有限元分析結果。

圖5 軟光電器件和眼模型的有限元分析

a 軟光電子器件（頂部）和圓形器件（底部）的最大面內主應變分布；

b 軟光電子器件（頂部）和圓形器件（底部）的偏離接觸部分；

c 由軟光電子器件（頂部）和圓形器件（底部）連接的眼模型中的最大面內主應變分布；

d 由軟光電子器件（頂部）和由FEA獲得的圓形器件（底部）連接的眼模型的變形形狀。

圖6 將CurvIS陣列與UNE集成的柔性印刷電路板

a 用于檢測外部光線（底部）和施加刺激（頂部）的電子設備的示意圖；

b CurvIS陣列的光學相機圖像和眼模型上的UNE，它們由軟FPCB連接；

c 垂直堆疊的CurvIS陣列和UNE放大的光學相機圖像；

d 光電晶體管（底部）和刺激電極（頂部）疊加在一起，并通過軟FPCB連接的示意圖；

e 軟FPCB的光學相機圖像；

f,g 撥出（圖f）和彎曲（圖g）條件下軟FPCB的光學相機圖像；

h,i 通過響應光開/關（圖h）和放大的電脈沖（圖i），在三個不同像素處產生的電脈沖。

圖7 由軟光電子裝置進行視網膜刺激

a 用于刺激視網膜（左）和從視覺皮層（右）記錄神經信號的實驗裝置的示意圖；

b,c 通過光刺激測量視覺皮層中引起的峰值和LFP變化；

d,e 通過電刺激測量視覺皮層中誘發的峰值和LFP變化。

【小結】

研究人員提出了一種利用高密度MoS₂-石墨烯曲面圖像傳感器陣列制備人眼激發軟光電子器件的方法。這種裝置可以檢測光學信號，并且將編程的電刺激施加到視神經，而對視網膜的機械副作用很小，是一種極具應用前景的電子器件。

文獻鏈接：Human eye-inspired soft optoelectronic device using high-density MoS2-graphene curved image sensor array.（Nat. Commun.，2017，Doi:10.1038/s41467-017-01824-6）

本文由材料牛高分子學術組Andy供稿。材料牛審核整理。

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