大連理工 AFM：魚和熊掌兼得！基于雙壓電-光電晶體管的壓力映射交互系統同時實現高動態范圍和壓力靈敏度

【背景介紹】

壓力測繪傳感器是一種重要的電氣探測器，在仿生機電、人工智能、醫療輔助設備等領域得到廣泛的發展和應用。具有高動態范圍（DR）和高壓力靈敏度的高性能觸覺系統，對人機交互和醫療監控設備等至關重要，能夠在較大的檢測范圍內準確地感測較小的力變化。通過微處理將電阻或電容芯片用作壓力監測器，其壓力檢測范圍足夠大（30-60 dB），但是靈敏度較低（0.1-2.0 μS kPa^-1），不能完全滿足高DR和高壓力靈敏度的要求。近些年來，基于壓電的壓力傳感器和基于電容式或電晶體管壓力傳感器被廣泛研究。然而，該類壓力傳感器件受到壓力動態范圍和測量精度的限制，阻礙了其實際工程應用發展。

【成果簡介】

近日，大連理工大學的宋金會教授、江誠鳴副研究員和李奇昆博士（共同通訊作者）等人報道了一種基于雙壓電光電晶體管（DPTs）的創新壓力映射交互（PMI）系統，其能夠在寬輸出范圍內檢測出大的壓力梯度，從而提供了更多的觸覺細節。所制備的DPT將壓電-納米線（NWs）通道和壓電-有機發光二極管（OLED）柵極集成為一個模塊，從而雙重增強了壓電-光電效應，其在有效工作區域內具有120 dB的高DR和61.2 μS kPa^-1的高壓力靈敏度。此外，通過將小型DPT用作PMI像素，器件可以在優化的陣列結構中獲得5 μm的高位置分辨率。該研究成果展示了壓電OLED柵極-壓電納米線通道雙增強效應，并展示了用于設計和應用PMI的方法，有望于實現高探測精度和動態范圍的電子皮膚等應用。研究成果以題為“High-Dynamic-Range Pressure Mapping Interactions by Dual Piezo-Phototronic Transistor with Piezo-Nanowire Channels and Piezo-OLED Gates”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文解讀】

圖一、DPT PMI系統的示意圖、制造工藝和顯微圖像
（a）具有雙壓電光電晶體管（DPT）陣列的DPT PMI系統的示意圖；

（b）DPT PMI系統結構的結構示意圖；

（c）DPT PMI系統的制備步驟；

（d）壓電NWs陣列通道SEM圖；

（e）水熱法ZnO NWs陣列、OLED側面 SEM圖及器件顯微鏡圖。

圖二、壓電-NW通道和壓電-OLED柵極的壓電-光電特性
（a）不同光強度下橫向NW通道的電流-電壓曲線（波長370 nm，壓力0 kPa）；

（b）不同壓力下橫向NW通道的電流-電壓曲線（波長370 nm，光照強度0.3mW/cm²）；

（c）施加（無）壓力情況下ZnO NW通道的能級示意圖；

（d）不同的壓力下NW通道循環響應測試；

（e）壓電OLED柵極的電致發光特性；

（f）施加壓力下，壓電OLED柵極的電流-電壓特性；

（g）施加（無）壓力情況下，ZnO NW和TAZ層接觸的能帶示意圖；

（h）不同的壓力下，壓電OLED循環響應測試。

圖三、具有雙壓電晶體管的DPT器件特性
（a）施加壓力下，DPT裝置的示意圖;

（b）DPT在不同偏置電壓下的I_D-V_G特性（輸入壓力0 kPa）;

（c）DPT在不同壓力下的I_D-V_G特性（V_D=4.5 V）;

（d）DPT在不同壓力下的V_D-I_G輸出特性（V_G=4.5 V）;

（e）壓力對DPT的響應輸出的調制特性;

（f）DPT的壓力循環響應測試。

圖四、10×10 DPT陣列的PMI系統的壓力傳感和觸覺成像
（a）DPT PMI系統采集原理示意圖；

（b）DPT PMI系統的電路原理示意圖；

（c） PMI系統像素漏極電流（I_D）輸出特性（V_G=3.5 V，V_D=2.0 V）；

（d）PMI系統的本底噪聲和施加壓力情況下輸出分布；

（e）單點外力的漏極電流信號；

（f）單點壓力采集輸出特性；

（g）多點采集示意圖及輸出特性；

（h）不同測試圖形的電流輸出的空間分布。

【小結】

綜上所述，作者展示了一種具有寬動態范圍和高壓靈敏度的DPT像素的PMI器件，以及利用PMI進行壓力成像測試。該DPT在其工作壓力范圍內，可提供5 μm分辨率、120 dB動態響應和高達61.2 μS kPa^-1的壓力靈敏度。該基于DPT陣列的PMI系統利用了壓電-光電效應的雙重增強效改善了壓力傳感器的精度和動態范圍，對各種精度和測量范圍要求的領域有很高的應用價值。同時，作者在集成DPT PMI的交互系統測試中發現，DPT PMI可以遷移到具有更復雜的空間結構和更高分辨率的交互系統中。總之，該項工作在人機交互系統中具有很高的潛在應用價值，或許將來此類DPT器件可以集成到更廣泛的應用中，實現更高性能的壓力互感接口，助力于人工智能技術、神經網絡系統等的未來發展。

文獻鏈接：High-Dynamic-Range Pressure Mapping Interactions by Dual Piezo-Phototronic Transistor with Piezo-Nanowire Channels and Piezo-OLED Gates（Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202004724）

通訊作者簡介

宋金會，大連理工大學機械學院教授，主要從事納米材料與器件，尤其是半導體納米材料及其在光電子領域中的應用。目前已經在Science、Nano Lett.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、JACS、ACS Nano等國際期刊發表論文60余篇，引用次數大于16000，h-index 32。主要研究方向包括半導體納米材料以及高清數字圖像傳感器、納米發電及超級電容綠色能源系統、可調諧納米線光電傳感等。

江誠鳴，大連理工大學機械學院副研究員。于美國阿拉巴馬大學取得博士學位，獲“國家優秀自費留學生獎”、大連理工大學“星海優青”、“遼寧省百千萬人才”、“大連市青年科技之星”等稱號。在微納光電與傳感研究方面取得了一系列具有國際重要影響力的原創性研究成果，承擔國家自然基金項目等7個橫縱向課題，在國內外發表SCI期刊論文多篇，包括Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy、ACS Nano、Nano Lett.、Small等，擁有國際國內專利多項，擔任多個國際著名期刊審稿人。

李奇昆，大連理工大學機械學院博士,主要從事柔性電子器件、微納制造及光電傳感方面的研究工作，在半導體微納加工、柔性電子制造方面經驗豐富，在國際刊物發表期刊論文十余篇，包括ACS Nano、 Nano Energy、ACS Appl. Mater. Interfaces等。

本文由CQR編譯。

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