上海交大材料学院郭益平教授课题组在柔性压电传感器的研究中取得新进展

日期:2022-06-01 来源:上海交通大学阅读:214
核心提示:近日,金属基复合材料国家重点实验室的郭益平教授课题组在柔性压电传感器的研究中取得新进展,研究成果以Self-powered flexible
 近日,金属基复合材料国家重点实验室的郭益平教授课题组在柔性压电传感器的研究中取得新进展,研究成果以“Self-powered flexible Piezoelectric Sensors based on Self-assembled 10 nm BaTiO3 Nanocubes on Glass Fiber Fabric”为题发表在国际知名期刊Nano Energy上。

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物联网(IoT)新时代的推进离不开各种新型柔性传感器和执行器的发明和制造。具有自供电、可识别压力方向、低成本、响应速度高等诸多优势的压电传感器将非常适用于低功率电子设备。然而,常见的压电陶瓷或厚膜如钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅(Pb(Zr, Ti)O3)等需要复杂的高温烧结工艺,且较大的刚度限制了其在柔性可穿戴电子器件领域的应用。现有的柔性电子器件制造工艺,如激光辅助剥离法、标准微机械加工和软光刻技术等,需要高成本、复杂工艺以及高能耗。尽管已经有学者提出采用静电纺丝或者3D互连压电陶瓷泡沫的方法可以制备出具有一定柔性的钛酸钡陶瓷,但是钛酸钡陶瓷纤维本身的脆性仍然无法避免。纳米材料自发组织成高度有序结构的过程决定了自组装过程不需要高能耗和耗时的高温烧结阶段。因此,通过自组装工艺制备兼具高压电性和柔性的压力传感器将是非常有意义的。

本研究提出一种通过自组装方法制备柔性器件的策略。首先通过低温水热法得到了单分散的10 nm单晶钛酸钡纳米立方体,利用蒸发诱导自组装工艺将其生长到电子级玻纤布上制备了一种超柔性和连续的压电材料系统,成功克服了具有高压电性能的压电传感器通常较硬或较脆的局限性。由于避免了高温烧结,具有分层结构的玻璃纤维织物(Glass Fiber Fabric,GFF)基底仍保留自身优越的柔韧性和鲁棒性。基于10 nm BaTiO3纳米立方体/GFF 薄膜制造的压电传感器具有超高灵敏度(在 0-10 N 的低力范围内为 101.09 nA/kPa和 3.31 V/kPa)和快速的响应时间特性(19 ms)。基于其优异的自供电传感性能,传感器可以智能识别笔迹或识别键盘用户,且最初采集的电信号与3000次弯曲循环后的电信号基本相同,证明了所制备的传感器应用于人机交互领域的潜力。同时,这项工作为制造高性能、超柔性、低成本的压电传感器提供了新的视角,可望在柔性可穿戴设备领域获得应用。

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论文第一作者为上海交通大学2020级硕士研究生周佩汝,郭益平教授为论文的通讯作者。郭益平教授所带领的智能与能源复合材料研究小组长期致力于铁电/压电功能复合材料,能源及催化材料的基础和应用研究,研究工作得到了上海市科委重点基础研究项目(No.20JC1415000),国家自然科学基金项目(11874257和 52032012)和上海交通大学科技创新基金的资助。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107400

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