王中林、翟俊宜Nano Energy: 用于面內應變映射的柔性Li摻雜ZnO壓電晶體管陣列

【引言】

薄膜是面內應變傳感的理想選擇，也與現代電子工業技術兼容。本研究通過射頻濺射方法實現了基于ZnO薄膜的面內變形場傳感器陣列，并將元素Li摻雜到ZnO中，以提高面內應變的靈敏度。在設備的每個傳感單元中驗證壓電效應。摻雜的ZnO的較低導電性不僅有利于降低極化電荷的屏蔽效應，而且還有助于防止傳感單元之間的串擾。這樣的優點使得總感測單元可以共享具有高靈敏度的一個薄膜，這可以簡化設備的結構和制造過程。在每個傳感單元上研究了壓電勢對載流子傳輸的調諧效應。本研究還評估了均勻和非均勻面內應變場映射的能力。 結果表明，Li摻雜薄膜壓電裝置在實際應用中具有良好的應用前景。

【圖文摘要】

【成果簡介】

近日，中科院北京納米能源與系統研究所的Ming Song（第一作者）在翟俊宜和王中林教授（通訊作者）的指導下，在國際頂級期刊Nano Energy上發表了文章：Flexible Li-doped ZnO Piezotronic Transistor Array for In-plane Strain Mapping。在本研究中，首次展示了基于薄膜的壓電式晶體管陣列，對傳感單元的壓電效應進行了研究和定性表征。單位的應變靈敏度（應變系數）提高至199，這是商用箔規的靈敏度的約100倍。在每個傳感單元上進行校準后，通過傳感器陣列成功地測量并映射了應用于器件上的應變分布，這顯示了基于薄膜的壓電式晶體管陣列在高空間分辨率，高靈敏度場的變形傳感應用中的巨大潛力。

【奪目亮點】

1. 由于屏蔽效應的降低，Li摻雜的ZnO顯示出比未摻雜的ZnO更好的應變調諧的I-V特性。
2. 基于Li摻雜的ZnO的面內應變傳感器比商用箔片的靈敏度高100倍。
3. 利用Li摻雜的ZnO薄膜制備了一種高空間分辨率的面內應變傳感器陣列。

?【圖文導讀】

圖1.薄膜壓電晶體管陣列的電鏡與XRD表征。

（a）ZnO連續薄膜壓電晶體管陣列的示意圖;（b）傳感器陣列的微結構;（c）RF濺射ZnO膜的表面和柱結構的頂視圖和截面圖;（d）顯示ZnO生長的XRD光譜沿c軸。

圖2. 薄膜壓電晶體管陣列的電學與力學性能。（a）當ZnO/Au界面為肖特基接觸時，各種應變下Li摻雜薄膜的I-V特性，插入是界面為歐姆接觸時的I-V特性;（b）在單個Au/ZnO/=Au單元的應變下的帶結構變化。這里使用的壓電常數是“d₃₁”;（c）＆（d）摻雜和未摻雜薄膜在肖特基界面上的電流變化，在10V的固定反向偏壓下應變，（c）的插圖是作為壓力函數的電流的歸一化對數圖。

圖3. 單個傳感單元周圍電流密度分布的數值模擬。超高電流濃度說明了相鄰單元的量可以忽略的串擾。（a）有限元模型;（c）潛在分配;（d）電流密度分布。

圖4. 薄膜壓電晶體管陣列的電學與力學性能。（a）在均勻拉伸載荷期間40×40單元的當前演變：應變映射，單元的電流變化由不同顏色描述。（b）卸載時總共1600個單位的當前統計數據。

圖5. 非均勻變形映射。（a）采用商業DIC方法測試;（b）通過薄膜壓電式晶體管陣列測試

【總結】

總之，基于薄膜的柔性壓電傳感器陣列被證明用于面內應變分布映射。將元素Li摻雜到ZnO薄膜中以增強薄膜的壓電效應。總共40×40傳感器布置在12×12mm²的區域內，這是目前面內應變傳感裝置的最高空間分辨率。科學家們研究了單個單元的壓電效應，證明了Li元素的摻雜可以顯著提高應變靈敏度。傳感單元陣列在均勻和非均勻變形映射上表現出非常好的性能。壓電效應將微小尺度與高靈敏度結合在一個器件中，這使得高分辨率應變成像成為可能。此外，薄膜結構與微電子技術相比在納米線方面更加技術兼容。薄膜陣列感測程序可以通過一個連續的薄膜完成，該薄膜繞過感測層的光刻過程，因此感測層可以沉積得更厚，以便從平面內到外面的方向傳遞更多的變形，以進一步增強壓電元件效果和敏感度。這些獨特的優勢可以大大擴展壓電設備的應用

文章鏈接：Flexible Li-doped ZnO Piezotronic Transistor Array for In-plane Strain Mapping. (Nano Energy, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.11.013)

?本文由材料人編輯部金屬材料學術組艾超供稿，材料牛編輯整理。