山东大学Nano Energy：基于压电电子学的压力传感器

引言：

触觉信息的准确感知是人机交互系统发展的关键，因此高灵敏度的集成化的压力传感器已经受到广泛关注，因其在智能便携设备和生物医学工程中具有重要应用。设计出具有高灵敏度的压力传感器的关键是集成大面积的高灵敏度的压力传感单元和稳定可信赖的弱信号探测器。基于压力传感机理，压力传感器可以被分为压阻式、电容式和压电（摩擦电）式。其基本原理都是结合对机械力的响应和信号的探测，对于机械力的快速响应有利于加快器件的响应时间，同时信号的放大将决定器件的灵敏度。因此，基于压电效应的材料适用于提高对于机械力的响应，然后结合具有快速开关的场效应晶体管，能够实现高灵敏度的压力传感器。

简介：

基于该指导，山东大学晶体材料国家重点实验室桑元华副教授（通讯作者），刘宏教授（通讯作者）和山东大学海洋研究院的韩琳教授（通讯作者）设计了一种基于压电电子学的高灵敏柔性压力传感器。选用的ZnO纳米柱阵列，能对微小压力做出快速灵敏响应，该部分镀上电极后可作为压力传感单元；同时利用具有电子质量轻，电子迁移率高等优点的二维材料InSe制备得到场效应晶体管，该部分信号稳定，性能优良。本论文基于王中林院士在2007年所提出的压电电子学的基本原理，将ITO柔性导电玻璃上的大面积ZnO纳米柱阵列的压电性能所产生的电信号，通过创新性的连接方式，作为调控InSe场效应晶体管的栅极电压，从而实现对微弱电信号的灵敏检测，进而实现对于微小压力的检测，制备得到高灵敏的柔性压力传感器。相关成果以题为Piezopotential gated two-dimensional InSe feld-effect transistor for designing a pressure sensor based on piezotronic effect发表在国际著名期刊Nano Energy上。山东大学博士生王孚雷和山东大学硕士生姜建峰为本文的共同第一作者。

【插图】

图1 ZnO纳米柱的基本材料表征

图2 在柔性ITO导电基底上的ZnO纳米柱的压电性能表征

图3 二维材料InSe和基于InSe的FET器件的相关表征

图4 基于InSe的FET器件的电学性质表征

图5压电式压力传感器的结构图、该传感器的工作原理及其相应的性能测试

图6 不同负载重量条件下的ZnO纳米柱阵列所产生的压电电势

【小结】

通过集合ZnO纳米柱压电单元和基于InSe的FET器件来构建基于压电电子学的压电式压力传感器。ZnO纳米柱展现出对于压力超快和超高灵敏度的响应，能够基于压电效应实现对于机械能到电势能的转化。一个高性能的基于InSe二维材料的FET器件能够检测并且放大由ZnO纳米柱转换得到的微弱压电电势。通过ZnO纳米柱产生的微弱电势变化来控制InSe基FET器件所需的栅极电压，能够实现显著波动的电流输出。制备得到的该高灵敏的柔性压力传感器可以探测到最小0.1g微弱受力，对应0.22mV的微弱电流。本工作通过柔性压力传感器件与刚性微型放大器件的分体式集成，既有利于实现柔性部分的可穿戴功能，又能实现放大器部分的长久稳定的信号输出，这一研究为压电电子学应用进行了拓展，相信会在可穿戴电子器件和物联传感方面具有重要发展前景。

文献链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520300136

【作者简介】

桑元华，山东大学晶体材料研究所副教授，博士生导师。主要从事纳米能源转化材料的研究、铌酸锂晶体生长及应用研究、以及生物组织工程材料及干细胞分化相关的研究。作为项目负责人承担了包括重点研发专项-政府间科技合作项目、山东省杰出青年基金、山东省重大创新工程项目、青年自然基金项目和博士后项目等，作为第一作者或者通讯作者在包括Adv. Mater., Adv. Energy. Mater.,等国际重要学术期刊上发表30篇，其他合作文章60篇，EIS高被引论文11篇，个人H因子达35，获得发明专利授权16项。

刘宏，教授，博士生导师，2009年获得国家杰出青年科学基金。主要研究方向为纳米能源材料、组织工程与干细胞分化、人工晶体材料等。近十年来承担了包括863、973、自然基金重大项目在内的十余项国家级科研项目，取得了重要进展。2004年至今，在包括Adv. Mater., Nano Letters，ACS Nano，J. Am. Chem. Soc, Adv. Fun. Mater，Envir. Eng. Sci.等学术期刊上发表SCI文章400余篇，，H因子为58，2015年度进入英国皇家化学会期刊前百分之一高被引中国作者榜单，2018/2019年科睿唯安全球高被引作者。应邀在化学顶尖期刊Chemical Society Review和材料顶尖期刊Advanced Materials和 Advanced Engergy Materials上发表综述性学术论文，在国际上产生重要影响。授权专利30余项，研究成果已经在相关产业得到应用。

韩琳，山东大学齐鲁青年学者，山东省杰出青年基金获得者，目前为山东大学海洋研究院教授。主要从事微电子与生物医学或海洋环境交叉领域的研究，目前承担国家自然基金青年项目、国家重点研发计划（课题负责人）“高增敏金属纳米结构材料与聚集体生化传感器研究”、山东省杰出青年基金、山东省重大科技创新项目课题等多项省部级项目，并获得2019年山东大学青年交叉科学创新群体项目支持。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等的国际期刊发表论文40余篇，申请美国专利9项，中国专利8项，国际专利2项，其中授权美国专利4项。

本文由山东大学晶体材料国家重点实验室桑元华副教授团队供稿。