北京理工利用范德華層狀材料提高應(yīng)變傳感器靈敏度

日前，北京理工大學(xué)物理學(xué)院吳漢春、王志、江兆潭教授研究團(tuán)隊(duì)，與高雄科技大學(xué)洪冠明教授、臺(tái)灣大學(xué)張慶瑞教授、吳育任教授、湖南大學(xué)陳克求教授、印度旁遮普大學(xué)Sunil Arora教授合作，發(fā)展了一種利用范德華層狀材料提高應(yīng)變傳感器應(yīng)變靈敏度因子的方法，相對(duì)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(yīng)和光電效應(yīng)的交互作用，除了應(yīng)變靈敏系數(shù)提高外，也同時(shí)提高應(yīng)變靈敏度因子的可調(diào)節(jié)范圍，并且具體展示了其在人體日常運(yùn)動(dòng)捕捉微小振動(dòng)感知方面的應(yīng)用，在柔性電子學(xué)的原理與應(yīng)用上有重要貢獻(xiàn)。該創(chuàng)新成果于近日發(fā)表在《自然》子刊Nature Communications上。

近年來，軟體機(jī)器人、遠(yuǎn)程監(jiān)控、人工智能和可穿戴醫(yī)療設(shè)備發(fā)展迅速，對(duì)應(yīng)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(yīng)變傳感器主要基于金屬材料。但是金屬?zèng)]有能隙，因此金屬應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度因子一般會(huì)局限在1-5的小范圍內(nèi)。傳統(tǒng)半導(dǎo)體的能隙應(yīng)變雖然可調(diào)，但是傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料通常很脆，也限制了其在穿戴式設(shè)備的應(yīng)變探測(cè)范圍。相比于金屬材料和傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，范德華層狀半導(dǎo)體材料具有優(yōu)良的柔韌性、光電特性和壓電特性，在能源儲(chǔ)存、光電、傳感、可穿戴設(shè)備等方面有巨大的應(yīng)用前景?；诖?，本跨國(guó)際與跨領(lǐng)域的合作團(tuán)隊(duì)提出了基于范德華層狀半導(dǎo)體材料的柔性應(yīng)變傳感器。通過壓電效應(yīng)和光電效應(yīng)的共同作用調(diào)節(jié)載流子的濃度和遷移率，首次實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變靈敏度因子可在高達(dá)23-3933區(qū)間內(nèi)連續(xù)可調(diào)。此外，如下圖所展示，該范德華柔性傳感器可以檢測(cè)聲音引起的微小振動(dòng)和監(jiān)測(cè)人體日常運(yùn)動(dòng)，充分展示了其在機(jī)器人、遠(yuǎn)程監(jiān)控、人工智能和可穿戴醫(yī)療等領(lǐng)域潛在的應(yīng)用前景。

范德華層狀材料應(yīng)變傳感器檢測(cè)聲音引起的微小振動(dòng)及監(jiān)測(cè)人體日常運(yùn)動(dòng)。

北京理工大學(xué)物理學(xué)院2016級(jí)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(jié)合能帶計(jì)算，二維材料，光學(xué)與電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)而在柔性電子的穿戴裝置上得到具體驗(yàn)證，本研究后續(xù)的應(yīng)用發(fā)展值得期待。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，以及北京理工大學(xué)科技創(chuàng)新計(jì)劃的支持。