近日，三峡大学胡功伟课题组，斯旺西大学李立杰教授，与西北工业大学黄佛保课题组合作，在国际顶级期刊《Advanced Science》发表研究论文，提出一种基于应变梯度压电电子学效应的高性能力学传感器。该器件利用宏观尺度的机械载荷在压电GaN半导体中引入非均匀应变分布，通过应变梯度诱发体压电电荷，并结合肖特基结界面极性对称性的偏压调控特性，实现了压电电子学传感器灵敏度的宽范围、高灵敏度、可逆电学调谐。测试结果表明，该传感器的最高应变灵敏度达1.43×10⁸，灵敏度高低状态间的切换比达到24,403，压力灵敏度为223.2 meV·MPa⁻¹，综合性能显著优于同类压电电子学和弯曲电传感技术，为智能触觉感知、可穿戴健康监测及人机交互界面等领域提供了新的技术路径。
当前，力学传感器在灵敏度和响应范围之间长期存在此消彼长的矛盾。压阻型器件虽工艺成熟，但其应变系数普遍偏低，难以满足微弱生理信号检测需求；而部分高灵敏度压电器件虽能探测微小形变，但其灵敏度状态固定，在承受大幅形变时易出现信号饱和或失真，难以适应复杂多变的实际应用场景。
针对上述难题，团队提出利用宏观针尖在GaN中产生应变梯度，诱导体压电电荷分布。与传统界面压电电荷不同，这些体电荷的屏蔽程度受肖特基结界面极性区域宽度的调控，而该宽度可由偏压调节。低偏压下极性区域宽广，将体电荷完全包裹，屏蔽微弱，势垒调制显著，器件处于高灵敏度模式；高偏压下极性区域收缩，部分体电荷被推出并受自由电子屏蔽，势垒调制减弱，器件转入低灵敏度模式，以适应大幅形变。该切换仅需偏压调节，快速可逆且无需改变器件结构。
研究还发现，该机制具有普适性，球形压头优于柱形，且增大压头半径因尺寸效应反而提升灵敏度和可调范围——在半径250 μm时达到最优性能。传感器经10,000次循环测试仍稳定，动态负载下亦保持电学可调性。该工作揭示了应变梯度与界面极性协同作用新机制，为压电电子学性能调控和智能传感系统设计提供了新思路。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.76341
图1. 在界面极性对称性和应变梯度下压电电子效应的工作机制。 （a）界面极性对称性，以及具有界面和体主导极化机制的压电电子效应; (b) 应变梯度压电晶体管的示意图; (c) 计算出的由半径为50 µm的球形压头在100 mN载荷下产生的应变梯度∂εz/∂z分布; (d) 平均应变梯度的绝对值随压头半径的变化（插图）。通过拟合曲线，发现应变梯度符合尺寸标度规律|⟨∇𝜀⟩|∼𝑅-1。
图2. 球形和柱形压头下GaN基SGPT的电学可调压电电子学响应。 (a) n-GaN表面下方体压电电荷分布示意图; (b) 压头（半径R=50 μm，载荷F=100 mN）作用下应变εr的分布计算结果; (c) 不同载荷下的对数电流-电压（I-V）特性曲线。图(a–c)中，上方为球形压头，下方为柱形压头; (d) 两种压头的整流比（V=±2 V处）随载荷的变化关系; (e) 球形（红色）和柱形（蓝色）压头在不同偏压区间的ΔI/I₀随载荷的变化; (f) 球形（左）和柱形（右）压头的偏压依赖应变灵敏度（SS）; (g) SS比值; (h) 最大SS。
图3. 界面极性对称性与电子屏蔽的协同效应。 (a) 计算所得的压电极化强度分布及方向; (b) 沿中心轴线的体压电电荷分布，内图为三维分布图。图(a,b)中，压头半径R=50 μm，施加载荷F=100 mN; (c) 不同载荷下偏压依赖的势垒高度变化ΔΦ; (d) 偏压依赖压电响应的工作机制。低偏压时（d-i），肖特基界面处强电场导致强界面极性对称性（IPS），极性区域宽广，完全包裹体压电电荷，使势垒高度受载荷显著调制。偏压增大、IPS中等时（d-ii），极性区域收窄，部分压电电荷位于该区域外并被自由电子屏蔽，势垒调制减弱。高偏压时（d-iii），极性区域几乎消失，IPS微弱，大部分压电电荷被屏蔽。
图4. SGPT中尺寸依赖的压电电子学调制及性能对比。 (a) 不同针尖半径下的偏压依赖ΔI/I：R=15 μm（F=38.9 mN）、25 μm（F=55.9 mN）、50 μm（F=122.2 mN）、250 μm（F=459.8 mN）; (b) 偏压V=-0.5 V下ΔI/I随压力的变化关系; (c) 与(a)相同针尖半径和载荷下的偏压依赖应变灵敏度; (d) V=-0.5 V下压力灵敏度随压力变化ΔP的关系; (e) 压电电子学调制尺寸效应示意图; (f) 各类应变传感器的应变灵敏度与可调性对比;(g) 各类压力传感器的压力灵敏度与范围对比。
图5. 高稳定性、可调灵敏度SGPT的动态测试。 (a) 由压电堆栈驱动器驱动电压产生方波载荷的动态测试装置; (b) 10,000次重复载荷循环下的输出电流-时间（I-t）曲线；左、右内图分别为起始和结束阶段的I-t迹线，中间内图为所施加载荷的波形（幅值40 mN）; (c) 反向偏压下的10个循环I-t迹线; (d) 正向偏压下的10个循环I-t迹线,内图为V=0.5和1.0 V下的I-t曲线; (e) V=-2 V下单周期内的施加载荷（上）和电流响应（下）; (f) 反向偏压下绝对电流变化|ΔI/I|随时间演化; (g) 正向偏压下绝对电流变化随时间演化; (h) V=-2 V下单周期内的施加载荷（上）和|ΔI/I|（下）。
