北理工在柔性電子學和可穿戴器件研究方面取得重要進展
發布日期：2021-04-06 供稿：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數：
日前，北京理工大學物理學院吳漢春、王志、江兆潭教授研究團隊，與高雄科技大學洪冠明教授、臺灣大學張慶瑞教授、吳育任教授、湖南大學陳克求教授、印度旁遮普大學Sunil Arora教授合作，發展了一種利用范德華層狀材料提高應變傳感器應變靈敏度因子的方法，相對于金屬材料至少提高了500倍以上的靈敏度。通過利用壓電效應和光電效應的交互作用，除了應變靈敏系數提高外，也同時提高應變靈敏度因子的可調節范圍，并且具體展示了其在人體日常運動捕捉微小振動感知方面的應用，在柔性電子學的原理與應用上有重要貢獻。該創新成果于四月一日發表在《自然》子刊Nature Communications上。
近年來，軟體機器人、遠程監控、人工智能和可穿戴醫療設備發展迅速，對應變傳感器的柔韌性、靈敏度和低功耗有了更高的要求。目前，商用應變傳感器主要基于金屬材料。但是金屬沒有能隙，因此金屬應變傳感器的應變靈敏度因子一般會局限在1-5的小范圍內。傳統半導體的能隙應變雖然可調，但是傳統半導體材料通常很脆，也限制了其在穿戴式設備的應變探測范圍。相比于金屬材料和傳統半導體材料，范德華層狀半導體材料具有優良的柔韌性、光電特性和壓電特性，在能源儲存、光電、傳感、可穿戴設備等方面有巨大的應用前景。基于此，本跨國際與跨領域的合作團隊提出了基于范德華層狀半導體材料的柔性應變傳感器。通過壓電效應和光電效應的共同作用調節載流子的濃度和遷移率，首次實現了應變靈敏度因子可在高達23-3933區間內連續可調。此外，如下圖所展示，該范德華柔性傳感器可以檢測聲音引起的微小振動和監測人體日常運動，充分展示了其在機器人、遠程監控、人工智能和可穿戴醫療等領域潛在的應用前景。
圖1范德華層狀材料應變傳感器檢測聲音引起的微小振動及監測人體日常運動。
物理學院2016級博士生閆文杰為該工作的第一作者，吳漢春教授和洪冠明教授為通訊作者。此課題結合能帶計算，二維材料，光學與電路設計，并進而在柔性電子的穿戴裝置上得到具體驗證，本研究后續的應用發展值得期待。該工作得到了國家自然科學基金面上項目和國家重點研發計劃，以及北京理工大學科技創新計劃的支持。
文章信息（*為通訊作者）：
Wenjie Yan, Huei-Ru Fuh, Yanhui Lv, Ke-Qiu Chen, Tsung-Yin Tsai, Yuh-Renn Wu, Tung-Ho Shieh, Kuan-Ming Hung*, Juncheng Li, Duan Zhang, Cormac ó Coileáin, Sunil K. Arora, Zhi Wang, Zhaotan Jiang, Ching-Ray Chang, and Han-Chun Wu*,“Giant Gauge factor of Van der Waals material based strain sensors”, Nature Communications 12, 2018 (2021).
文章鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22316-8
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