研究背景与简介

 随着可穿戴智能技术的蓬勃发展，对高密度环境下稳定可靠的无线通信系统需求日益迫切。可见光通信(VLC)作为传统射频技术的有力替代方案，凭借其在带宽容量、传输安全性和电磁兼容性方面的显著优势而备受关注。然而，将VLC技术集成到柔性可穿戴平台中面临着诸多挑战，特别是在实现多输入多输出(MIMO)复用架构时。传统光学接收系统受制于光通量密度守恒定律的限制，在光学增益和视场角之间存在不可避免的权衡关系，而MIMO技术中多个通道间的信号串扰问题严重影响了通信保真度。针对这一问题，提出了一种创新的剪切对齐柔性偏振荧光天线(FPFAs)技术，通过热辅助刷涂诱导(BCI)工艺，有效解决了可穿戴可见光通信系统中的信号串扰难题。。

 相关成果在ACS Applied Materials & Interfaces期刊发表（https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.5c06121），该工作主要由黄泽强、汤亚鹏等同学完成，通讯作者为李家声。

创新点突出

该研究团队开发的FPFAs技术通过系统研究"咖啡环"现象和剪切力对埃洛石纳米管排列的协同效应，揭示了形成高度有序结构的物理机制，实现了0.89的取向度。创新性地采用三明治结构封装设计，在保持偏振性能的同时表现出卓越的机械稳定性，其平行断裂强度比传统设计高4.25倍。当与量子点荧光转换层结合时，这些FPFAs在宽视角范围内实现了相比传统接收器4.95倍的信噪比改善，即使在极端弯曲条件下仍能保持优异性能。经过优化，所开发的可穿戴通信系统在距离达9米时仍保持85.1%的传输准确度，相比传统方法实现了935%的性能提升，并在包括雨雾在内的恶劣环境条件下展现出优异的抗干扰能力。

图文导图

图1. FPFAs的设计与制备工艺流程图。 展示了可穿戴VLC系统的应用场景、HNTs的微观形貌及BCI薄膜结构，以及FPFAs的完整制备工艺流程和器件实物照片。

图2. 不同加热温度下BCI偏振结构的取向机理与性能分析。 展示了温度调控对HNTs排列的影响，揭示了"咖啡环效应"和马兰戈尼流动协同作用的取向机理。

图3.刷涂速度对BCI偏振结构取向特性的影响分析。 展示了刷涂速度对HNTs取向度的影响规律，证实了剪切力与毛细驱动"咖啡环效应"的协同作用机制。

图4. 封装BCI偏振结构柔性薄膜的光学特性表征。 展示了薄膜的双折射特性和各向异性散射模式，证实了封装工艺有效保持了HNTs的高度有序排列。

图5. BCI偏振结构柔性薄膜的机械特性和耐久性测试。 展示了薄膜在静态变形和动态疲劳下的机械稳定性，证实了结构取向对机械性能的显著增强效果。

图6. BCI偏振结构在可穿戴光通信中的SNR和频率响应分析。 展示了偏振角对信号质量的影响、系统带宽特性以及在宽视场角范围内的SNR改善效果。

图7. 使用BCI偏振结构荧光天线进行可穿戴通信的字符串传输准确性评估。 展示了系统在机械变形、传输距离和不同环境条件下的通信性能，验证了FPFAs在实际应用中的可靠性。

结论

本研究提出的FPFAs技术，成功结合了高效偏振选择性和优异机械柔性的优点。通过"咖啡环效应"与剪切力的协同作用，实现了埃洛石纳米管的高度有序排列，为可穿戴光通信中的偏振多路复用提供了有效解决方案。三明治结构封装不仅保护了偏振结构的完整性，还赋予了器件优异的柔性性能，能够承受极端弯曲而不影响通信质量。集成量子点荧光转换层后的FPFAs在信噪比、传输距离和环境适应性方面均表现出显著优势，成功转移的信号没有发生明显衰减。这项技术的发展为医疗健康监测、安全通信和增强现实界面等应用领域开辟了新的可能，有望加速可穿戴可见光通信技术的产业化进程。