山東大學Nano Energy：基于壓電電子學的壓力傳感器

引言：

觸覺信息的準確感知是人機交互系統發展的關鍵，因此高靈敏度的集成化的壓力傳感器已經受到廣泛關注，因其在智能便攜設備和生物醫學工程中具有重要應用。設計出具有高靈敏度的壓力傳感器的關鍵是集成大面積的高靈敏度的壓力傳感單元和穩定可信賴的弱信號探測器。基于壓力傳感機理，壓力傳感器可以被分為壓阻式、電容式和壓電（摩擦電）式。其基本原理都是結合對機械力的響應和信號的探測，對于機械力的快速響應有利于加快器件的響應時間，同時信號的放大將決定器件的靈敏度。因此，基于壓電效應的材料適用于提高對于機械力的響應，然后結合具有快速開關的場效應晶體管，能夠實現高靈敏度的壓力傳感器。

簡介：

基于該指導，山東大學晶體材料國家重點實驗室桑元華副教授（通訊作者），劉宏教授（通訊作者）和山東大學海洋研究院的韓琳教授（通訊作者）設計了一種基于壓電電子學的高靈敏柔性壓力傳感器。選用的ZnO納米柱陣列，能對微小壓力做出快速靈敏響應，該部分鍍上電極后可作為壓力傳感單元；同時利用具有電子質量輕，電子遷移率高等優點的二維材料InSe制備得到場效應晶體管，該部分信號穩定，性能優良。本論文基于王中林院士在2007年所提出的壓電電子學的基本原理，將ITO柔性導電玻璃上的大面積ZnO納米柱陣列的壓電性能所產生的電信號，通過創新性的連接方式，作為調控InSe場效應晶體管的柵極電壓，從而實現對微弱電信號的靈敏檢測，進而實現對于微小壓力的檢測，制備得到高靈敏的柔性壓力傳感器。相關成果以題為Piezopotential gated two-dimensional InSe feld-effect transistor for designing a pressure sensor based on piezotronic effect發表在國際著名期刊Nano Energy上。山東大學博士生王孚雷和山東大學碩士生姜建峰為本文的共同第一作者。

【插圖】

圖1 ZnO納米柱的基本材料表征

圖2 在柔性ITO導電基底上的ZnO納米柱的壓電性能表征

圖3 二維材料InSe和基于InSe的FET器件的相關表征

圖4 基于InSe的FET器件的電學性質表征

圖5壓電式壓力傳感器的結構圖、該傳感器的工作原理及其相應的性能測試

圖6 不同負載重量條件下的ZnO納米柱陣列所產生的壓電電勢

【小結】

通過集合ZnO納米柱壓電單元和基于InSe的FET器件來構建基于壓電電子學的壓電式壓力傳感器。ZnO納米柱展現出對于壓力超快和超高靈敏度的響應，能夠基于壓電效應實現對于機械能到電勢能的轉化。一個高性能的基于InSe二維材料的FET器件能夠檢測并且放大由ZnO納米柱轉換得到的微弱壓電電勢。通過ZnO納米柱產生的微弱電勢變化來控制InSe基FET器件所需的柵極電壓，能夠實現顯著波動的電流輸出。制備得到的該高靈敏的柔性壓力傳感器可以探測到最小0.1g微弱受力，對應0.22mV的微弱電流。本工作通過柔性壓力傳感器件與剛性微型放大器件的分體式集成，既有利于實現柔性部分的可穿戴功能，又能實現放大器部分的長久穩定的信號輸出，這一研究為壓電電子學應用進行了拓展，相信會在可穿戴電子器件和物聯傳感方面具有重要發展前景。

文獻鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520300136

【作者簡介】

桑元華，山東大學晶體材料研究所副教授，博士生導師。主要從事納米能源轉化材料的研究、鈮酸鋰晶體生長及應用研究、以及生物組織工程材料及干細胞分化相關的研究。作為項目負責人承擔了包括重點研發專項-政府間科技合作項目、山東省杰出青年基金、山東省重大創新工程項目、青年自然基金項目和博士后項目等，作為第一作者或者通訊作者在包括Adv. Mater., Adv. Energy. Mater.,等國際重要學術期刊上發表30篇，其他合作文章60篇，EIS高被引論文11篇，個人H因子達35，獲得發明專利授權16項。

劉宏，教授，博士生導師，2009年獲得國家杰出青年科學基金。主要研究方向為納米能源材料、組織工程與干細胞分化、人工晶體材料等。近十年來承擔了包括863、973、自然基金重大項目在內的十余項國家級科研項目，取得了重要進展。2004年至今，在包括Adv. Mater., Nano Letters，ACS Nano，J. Am. Chem. Soc, Adv. Fun. Mater，Envir. Eng. Sci.等學術期刊上發表SCI文章400余篇，，H因子為58，2015年度進入英國皇家化學會期刊前百分之一高被引中國作者榜單，2018/2019年科睿唯安全球高被引作者。應邀在化學頂尖期刊Chemical Society Review和材料頂尖期刊Advanced Materials和 Advanced Engergy Materials上發表綜述性學術論文，在國際上產生重要影響。授權專利30余項，研究成果已經在相關產業得到應用。

韓琳，山東大學齊魯青年學者，山東省杰出青年基金獲得者，目前為山東大學海洋研究院教授。主要從事微電子與生物醫學或海洋環境交叉領域的研究，目前承擔國家自然基金青年項目、國家重點研發計劃（課題負責人）“高增敏金屬納米結構材料與聚集體生化傳感器研究”、山東省杰出青年基金、山東省重大科技創新項目課題等多項省部級項目，并獲得2019年山東大學青年交叉科學創新群體項目支持。在包括Neucleic Acids Research，Small，Nanoscale, Npj 2D Materials and Applications, Scientific Reports, Applied Physics Letters, IEEE Electronic Devices Letts, PNAS, Nano Letters, ACS Nano等的國際期刊發表論文40余篇，申請美國專利9項，中國專利8項，國際專利2項，其中授權美國專利4項。

本文由山東大學晶體材料國家重點實驗室桑元華副教授團隊供稿。