DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-71190-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41912507
تاريخ النشر: 2026-03-30
المؤلف: De Yu وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطبيقات المواد الميتامادية والأسطح الميتامادية
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نهجًا جديدًا لتطوير حساسات ريتينومورفية ذات استقطاب دائري، والتي تعتبر ضرورية للأنظمة البصرية الاصطناعية المتقدمة. يبرز البحث إنشاء بنية ميكروية غير متجانسة ذاتية التجميع داخل البيروفيسكيتات الكيرالية، والتي تتميز بحبوب ناقصة الكيرالية وحدود حبوب غنية بالكيرالية. تعزز هذه التكوينات كل من انتقائية الدوران والخصائص الضوئية الإلكترونية، مما يؤدي إلى حساسات تحقق عامل عدم تماثل تيار ضوئي مرتفع قدره 1.98 وتظهر استجابة مستقطبة دائرية شاملة.
علاوة على ذلك، تُظهر الحساسات وظائف بيوميميتية متعددة تشبه الشبكية البشرية، بما في ذلك سلوكيات تشابكية، وتكيف ضوئي، والتعرف على الألوان. يتم توضيح التطبيقات العملية لهذه الحساسات من خلال مجموعة حساسات قادرة على حل اتجاه استقطاب دائري واحد لتشفير المعلومات، بالإضافة إلى مجموعات حساسات ثنائية العين تميز بين اتجاهات الاستقطاب الدائري المعاكس لإعادة البناء المجسم الافتراضي. يبرز هذا العمل إمكانيات البيروفيسكيتات الكيرالية في تعزيز قدرات الأنظمة البصرية الاصطناعية.
مقدمة
تناقش المقدمة تطوير حساسات ريتينومورفية، والتي تعد واعدة للأنظمة البصرية الاصطناعية من الجيل التالي (AVS) بسبب قدرتها على دمج الإدراك البصري والمعالجة مع تقليل التكرارات الحسابية. ومع ذلك، تركز الحساسات الحالية بشكل أساسي على شدة الضوء، وطول الموجة، والتردد، مما يحد من فعاليتها في البيئات البصرية المعقدة. يبرز المؤلفون مزايا الضوء المستقطب دائريًا (CPL)، الذي يوفر معلومات إضافية حول الاستقطاب والطور، ويلاحظون أن بعض المفصليات يمكنها اكتشاف CPL بكفاءة، مما يمكّن من قدرات متقدمة مثل التعرف على الأنواع المتشابهة وكسر التمويه.
لتحسين القدرات الإدراكية ومقاومة التداخل للأنظمة البصرية الاصطناعية، يقترح المؤلفون استخدام حساسات ريتينومورفية ذات استقطاب دائري (CP-resolved) يمكنها تمييز CPL. يحددون البيروفيسكيتات الكيرالية كمواد واعدة لتحقيق الاستجابات التفاضلية اللازمة لـ CPL والوظائف البيوميميتية. يكشف الدراسة عن طريقة للحصول على انتقائية دوران فعالة في البيروفيسكيتات الكيرالية بمحتوى منخفض من الجزيئات الكيرالية، مما يؤدي إلى تحسين الخصائص الضوئية الإلكترونية. يظهر المؤلفون آلية التجميع الذاتي التي تخلق حدود حبوب غنية بالكيرالية، مما يعزز نقل الحاملات ويعمل كصمامات دوران. تُظهر الحساسات الناتجة عامل عدم تماثل قدره 1.98 واستجابة مستقطبة دائرية شاملة، بينما تمكّن أيضًا من وظائف بيوميميتية متعددة تشبه الرؤية البشرية. كما يتم مناقشة التطبيقات المحتملة لهذه الحساسات في تشفير المعلومات وإعادة البناء المجسم الافتراضي، مما يشير إلى أهميتها في تطوير AVS المتقدمة.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والأساليب المستخدمة في بحثهم. تضمنت المواد الرئيسية يوديد فينيلثيل أمونيوم (PEAI)، يوديد R-ميثيل بنزيل أمين (R-MBAI)، يوديد S-ميثيل بنزيل أمين (S-MBAI)، ويوديد القصدير (II) (SnI2)، جميعها مأخوذة من موردين موثوقين. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام المذيبات مثل N,N-dimethylformamide (DMF) وdimethyl sulfoxide (DMSO) دون مزيد من التنقية. استخدمت الدراسة أيضًا كريات ذهبية وشرائح سيليكون من النوع p عالية الشوائب مع طبقة SiO2 مؤكسدة حراريًا.
لتحليل المواد، تم استخدام عدة تقنيات متقدمة. تم إجراء المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) باستخدام مجهر انبعاث المجال، بينما تم إجراء مطيافية تحويل فورييه للأشعة تحت الحمراء (FTIR) باستخدام مطياف مخصص. تم تنفيذ قياسات المجهر الذري (AFM) والأشعة تحت الحمراء على النطاق النانوي (AFM-IR) باستخدام مجهر متخصص. تم تسجيل الاستقطاب الدائري (CD) وطيف الامتصاص باستخدام مطياف استقطابي، وتم إجراء تحليل حيود الأشعة السينية (XRD) باستخدام جهاز حيود مزود بمصدر أنبوب Cu K-α. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام مجهر القوة الذرية الموصل المغناطيسي (mCP-AFM)، باستخدام طرف مغطى بـ Co/Cr تم مغنطته قبل القياسات لضمان حقن الحاملات بشكل فعال مع حالة استقطاب دوران محددة.
نتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الأساليب التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد البحث، حيث تؤكد التحليلات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه الخصوص، تُظهر النتائج أن النموذج المقترح يتنبأ بدقة بالظواهر الملاحظة، كما يتضح من قيمة معامل التحديد العالية ($R^2$).
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج، موضوعة في السياق الأوسع للأدبيات الموجودة. يقترح المؤلفون أن الاتجاهات الملاحظة يمكن أن تُوجه اتجاهات البحث المستقبلية والتطبيقات العملية، خاصة في المجالات التي تتفاعل فيها المتغيرات المدروسة. بشكل عام، تؤكد النتائج صحة الفرضيات وتساهم بأفكار قيمة في هذا المجال.
مناقشة
في هذا القسم، تناقش البحث تطوير وتوصيف البيروفيسكيتات الكيرالية غير المتجانسة ذاتية التجميع لاستخدامها في حساسات ريتينومورفية من نوع الترانزستور. يبرز البحث مزايا البيروفيسكيتات الكيرالية المعتمدة على القصدير، خاصة توافقها الحيوي وسلوكياتها التشابكية، والتي تعتبر حاسمة لتعديل الحاملات الناتجة عن الضوء ومرونة التشابك. يظهر المؤلفون أنه من خلال استبدال جزئي للجزيئات الكيرالية بأخرى غير كيرالية، يمكن تحسين جودة الفيلم الرقيق وخصائص الترانزستور، على الرغم من أن هذا الاستبدال يقلل أيضًا من انتقائية الدوران، مما يؤثر على قدرات تمييز الضوء المستقطب دائريًا (CPL).
تكشف النتائج أن البيروفيسكيتات الكيرالية غير المتجانسة، وبالتحديد (R-MBA0.2PEA0.9)2SnI4، تظهر خصائص هيكلية وإلكترونية محسنة مقارنة بنظيراتها المتجانسة. تستخدم الدراسة تقنيات توصيف متنوعة، بما في ذلك المجهر الذري (AFM) والمجهر الذري للأشعة تحت الحمراء (IR-AFM)، لتأكيد التوزيع غير المتجانس للجزيئات الكيرالية وتشكيل حدود حبوب غنية بالكيرالية، مما يسهل تحسين نقل الحاملات عبر الحبوب وانتقائية الدوران. تُظهر الحساسات غير المتجانسة أداءً كيروبوتونيكًا متفوقًا، حيث تحقق فرقًا كبيرًا في منحنيات النقل تحت الضوء المستقطب دائريًا من اليمين واليسار، وهو ما يُعزى إلى تأثيرها المحسن في التقاط الضوء وانتقائية الدوران. بشكل عام، تشير الأبحاث إلى أن هذه البيروفيسكيتات الكيرالية غير المتجانسة واعدة للتطبيقات في حساسات ذات استقطاب دائري وحساسات بصرية اصطناعية، مما يظهر قدرات مثل الذاكرة ووظائف التعلم التي تشبه الأنظمة البيولوجية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-71190-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41912507
Publication Date: 2026-03-30
Author(s): De Yu et al.
Primary Topic: Metamaterials and Metasurfaces Applications
Overview
This section presents a novel approach to developing circular-polarization-resolved retinomorphic sensors, which are essential for advanced artificial visual systems. The research highlights the creation of a self-assembled heterogeneous microstructure within chiral perovskites, characterized by chiral-deficient grains and chiral-rich grain boundaries. This configuration enhances both spin selectivity and optoelectronic properties, resulting in sensors that achieve a high photocurrent dissymmetry factor of 1.98 and exhibit a panchromatic circular-polarization-resolved response.
Furthermore, the sensors demonstrate multiple biomimetic functions akin to human retinas, including synaptic behaviors, light adaptation, and color recognition. The practical applications of these sensors are illustrated through a sensor array capable of resolving a single circular-polarization handedness for information encryption, as well as binocular sensor arrays that differentiate opposite circular-polarization handedness for virtual stereoscopic reconstruction. This work underscores the potential of chiral perovskites in advancing the capabilities of artificial visual systems.
Introduction
The introduction discusses the development of retinomorphic sensors, which are promising for next-generation artificial visual systems (AVS) due to their ability to integrate visual perception and processing while minimizing computational redundancies. However, current sensors primarily focus on light intensity, wavelength, and frequency, limiting their effectiveness in complex visual environments. The authors highlight the advantages of circularly polarized light (CPL), which provides additional information on polarization and phase, and note that certain arthropods can efficiently detect CPL, enabling advanced capabilities such as conspecific recognition and camouflage breaking.
To enhance the perceptual and anti-interference capabilities of AVS, the authors propose the use of circular-polarization-resolved (CP-resolved) retinomorphic sensors that can differentiate CPL. They identify chiral perovskites as promising materials for achieving the necessary differential CPL responses and biomimetic functions. The study reveals a method to obtain efficient spin selectivity in chiral perovskites with low chiral molecule content, leading to improved optoelectronic properties. The authors demonstrate a self-assembly mechanism that creates chiral-rich grain boundaries, which enhance carrier transport and act as spin valves. The resulting sensors exhibit a dissymmetric factor of 1.98 and a panchromatic CP-resolved response, while also enabling multiple biomimetic functions akin to human vision. The potential applications of these sensors in information encryption and virtual stereoscopic reconstruction are also discussed, indicating their significance for advanced AVS development.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods utilized in their research. The primary materials included phenethylammonium iodide (PEAI), R-methylbenzylamine iodide (R-MBAI), S-methylbenzylamine iodide (S-MBAI), and tin(II) iodide (SnI2), all sourced from reputable suppliers. Additionally, solvents such as N,N-dimethylformamide (DMF) and dimethyl sulfoxide (DMSO) were employed without further purification. The study also utilized gold pellets and highly doped p-type silicon wafers with a thermally oxidized SiO2 layer.
For material characterization, several advanced techniques were employed. Scanning electron microscopy (SEM) was conducted using a field-emission microscope, while Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy was performed with a dedicated spectrometer. Atomic force microscopy (AFM) and nanoscale infrared (AFM-IR) measurements were executed using a specialized microscope. Circular dichroism (CD) and absorption spectra were recorded with a spectropolarimeter, and X-ray diffraction (XRD) analysis was performed using a diffractometer equipped with a Cu K-α tube source. Additionally, magnetic conductive probe atomic force microscopy (mCP-AFM) was utilized, employing a Co/Cr-coated tip that was magnetized prior to measurements to ensure effective carrier injection with a defined spin polarization state.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that the proposed model accurately predicts the observed phenomena, as evidenced by a high coefficient of determination ($R^2$) value.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, situating them within the broader context of existing literature. The authors suggest that the observed trends could inform future research directions and practical applications, particularly in areas where the studied variables interact. Overall, the results underscore the validity of the hypotheses and contribute valuable insights to the field.
Discussion
In this section, the research discusses the development and characterization of self-assembled heterogeneous chiral perovskites for use in transistor-type retinomorphic sensors. The study highlights the advantages of tin-based chiral perovskites, particularly their bio-compatibility and synaptic behaviors, which are crucial for modulating photo-generated carriers and synaptic plasticities. The authors demonstrate that by partially substituting chiral molecules with achiral ones, the thin-film quality and transistor properties can be improved, although this substitution also reduces spin selectivity, impacting circularly polarized light (CPL) differentiation capabilities.
The findings reveal that heterogeneous chiral perovskites, specifically (R-MBA0.2PEA0.9)2SnI4, exhibit enhanced structural and electronic properties compared to their homogeneous counterparts. The study employs various characterization techniques, including atomic force microscopy (AFM) and infrared atomic force microscopy (IR-AFM), to confirm the heterogeneous distribution of chiral molecules and the formation of chiral-rich grain boundaries, which facilitate improved cross-grain carrier transport and spin selectivity. The heterogeneous sensors demonstrate superior chiroptoelectronic performance, achieving a significant difference in transfer curves under right-hand and left-hand circularly polarized light, which is attributed to their enhanced photogating effect and spin selectivity. Overall, the research indicates that these heterogeneous chiral perovskites are promising for applications in circular-polarization-resolved sensors and artificial visual systems, showcasing capabilities such as memory and learning functions akin to biological systems.