通过应力转换整合钙钛矿薄膜光电器件，实现面内多轴可拉伸及三维曲面人造复眼阵列

能够拉伸与弯曲的电子器件

想象一种相机或医用传感器，可以平滑地包裹在运动的身体表面，或是像穹顶一样的机器人眼睛，而在弯曲时其精细部件不会开裂。本文提出了一种巧妙方法，用极薄的光敏膜——钙钛矿——构建此类可拉伸、曲面电子器件。作者展示了一种特殊支撑框架，使这些脆弱薄膜能承受大幅拉伸，甚至形成类似昆虫的曲面“复眼”。

为什么可拉伸器件容易断裂

目前大多数可拉伸电子系统由微小刚性“岛屿”通过波浪状、弹簧样的“桥”连接而成，这种连接可以伸长。对于较厚、更坚韧的半导体块，这种方法尚可，但对超薄薄膜则常失效。当整片薄膜被拉伸或在曲面上弯曲时，刚性岛屿与柔软橡胶底座相互牵扯。两者在运动上的不匹配会在交界处集中应力，导致薄膜在远未达到整体器件极限时就出现裂纹、翘起或变形。以往的解决方案要么需要发明全新的弹性电子材料，要么需要复杂重塑软基底——这些方法虽有效，但难以通用与规模化。

一种将应力重定向的巧妙框架

团队提出的解决方案是一种称为应力转换结构（STS）的支撑件。静止时，STS 看起来像一个平面框架，中间有用于电子薄膜的中央平台，周围切出细环和梁网络。由于它是平面的，可与现有芯片与薄膜制造工艺顺利兼容。当器件被拉伸时，外环被拉开，梁发生向上屈曲，推动中央平台形成温和拱起。换言之，平面内的大拉力被转换为薄膜的小幅弯曲，使脆弱层的应变保持在约百分之一——对许多薄半导体而言是安全的。同时，中央支撑部分与可拉伸基底的接触减弱，降低了二者界面的相互牵扯。

通过虚拟测试寻找最佳形状

为使该应力重定向框架尽可能有效，研究者进行了大量计算机模拟。他们改变外环形状（从圆形到多边形）、环宽、梁尺寸、中央平台面积以及整体结构厚度。模拟显示四边形环表现最佳：即便整个框架被拉伸到一半长度，中央支撑的弯曲仍然很低。进一步微调几何参数——较窄的环、较宽的梁、中等的平台面积与薄的塑料片——在实验中得到的设计可承受约60%的拉伸，同时保持脆弱薄膜的应变在安全范围内。

从单个传感器到可拉伸阵列与曲面“眼睛”

利用该优化框架，团队在柔性电路板上用钙钛矿薄膜构建了光传感器。他们测量了器件在反复拉伸过程中的行为。即使支撑被拉伸50%并循环4000次，传感器的光响应、暗电流和开关速度几乎保持不变，显微图像也未见裂纹或剥离。相同的构建模块被镶嵌成阵列：一个可单向拉伸的5×5网格，和另一个可同时在两个方向拉伸的网格。这些阵列在大应变下仍能对简单“H”形光图形成清晰成像，表明大量传感器可在移动表面上可靠协作。最后，作者将该概念拓展到三维，将一个15×15的传感器阵列压贴到半球面上，形成具有185个像素的人造复眼。每个像素位于其独立的STS上，使整片薄片得以贴合穹顶。在有图案光照射时，曲面阵列能够定位光照位置并重构简单形状。

这对未来设备意味着什么

简而言之，这项工作展示了如何托举极其脆弱且极薄的电子薄膜，使其在不破损或失去功能的情况下被拉伸并包覆到复杂形状。通过将有害的拉力转化为温和的弯曲，这些新型支撑框架为高性能薄膜相机和光传感器敞开了大门，能够佩戴在皮肤上、包绕软体机器人或塑造成曲面视觉系统。尽管要用于现实产品仍需进一步微型化和设計平衡，但这一核心思路提供了一种广泛兼容的机械“技巧”，可帮助多种薄型电子材料成为下一代柔性、贴身及仿生设备的一部分。

引用: Zhang, K., Yang, J., Huang, Y. et al. Strain-transformative integration of perovskite thin-film optoelectronics for in-plane multiaxial stretchable and 3D curvy artificial compound eye arrays. npj Flex Electron 10, 54 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00552-6

关键词: 可拉伸电子学, 钙钛矿光电探测器, 柔性传感器, 复眼成像, 应力转换结构