中南大学团队开发新型高性能柔性压电薄膜传感器
中南大学团队开发新型高性能柔性压电薄膜传感器
中南大学张斗团队近日在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了一篇关于高性能柔性压电薄膜传感器的研究论文。该团队开发了一种新型的经济高效转移策略，成功制备出具有优异性能的柔性PZT薄膜传感器，为下一代智能电子产品的开发提供了新的技术方案。
研究背景
下一代智能电子产品对传感器的便携性和灵活性提出了更高的要求。柔性电子产品因其重量轻、舒适、易于弯曲等特点，被广泛应用于从消费电子产品到生物医学设备等各个领域。其中，柔性压电传感器作为一种自供电电子系统引起了广泛关注，它能够将呼吸运动、膈肌扩张和心跳等极小的位移转换为电信号。
然而，传统的压电陶瓷材料存在脆性和高刚性的问题，而有机压电聚合物虽然易于加工，但其压电电荷系数较低，限制了传感性能。基于无机钙钛矿的薄膜，如锆钛酸铅(PZT)，虽然可以表现出高压电电荷系数和高水平的机电转换，但其制备过程需要在高温下结晶，且通常生长在刚性基底上，限制了其机械柔韧性。
创新策略
针对上述问题，中南大学张斗团队提出了一种新的经济高效的转移策略。他们首先在高韧性氟金云母合成云母基底上生长牺牲层（镧锶锰酸盐，La0.7Sr0.3MnO3，LSMO），为高质量PZT薄膜的生长提供合适的晶格和热匹配条件。然后通过化学蚀刻工艺选择性地去除牺牲层，将PZT薄膜从云母基底上释放出来，并转移到低模量且灵活的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底上。
这种转移策略具有以下优势：
- 采用价格低廉、机械柔性好的云母基底，替代了传统的昂贵单晶基底；
- 通过化学蚀刻工艺去除牺牲层，损伤小且能保持薄膜结构质量；
- 转移后的PZT薄膜在PET基底上表现出显著增强的铁电、压电性能和机械柔韧性。
性能提升
通过这种经济高效的转移策略，研究团队发现PZT薄膜的铁电、压电性能和机械柔韧性得到全面提高。具体表现为：
- 剩余极化(Pr)从原生薄膜的20.4 µC cm−2提高到43 µC cm−2，提升了111%；
- 饱和极化(Ps)从32.1 µC cm−2提高到50.4 µC cm−2，提升了57%；
- 有效压电系数(d33,eff)从332.4 pm V−1提高到474.2 pm V−1，提升了43%。
此外，转移后的PZT薄膜传感器在弯曲和压缩下的传感灵敏度也显著提高。在弯曲角度为0-90°时，传感器灵敏度达到110 mV度−1，比原生薄膜传感器高出9.2倍；在压力变化范围内，传感器灵敏度达到1.8 V kPa−1，比原生薄膜传感器高出26倍。同时，该传感器可以弯曲到1毫米的小半径，并能在约12000个强大压缩负载下保持高压电输出。
应用前景
这种高性能柔性PZT薄膜传感器在智能可穿戴设备中展现出广阔的应用前景。研究团队展示了其在呼吸监测和无线手势识别中的应用。通过将传感器集成到智能口罩中，可以实时监测佩戴者的呼吸状态；通过将传感器集成到无线触觉手套中，可以实现手势的实时识别和信号传输。
图1：采用成本效益高的转移策略制造高效、轻便、灵活的转移薄膜传感器的工艺示意图。
图5：柔性传感器在智能口罩上的应用，用于呼吸监测。
这项研究不仅展示了高性能柔性压电薄膜传感器的制备方法，还为其在智能可穿戴设备中的实际应用提供了技术支撑，具有重要的科学意义和应用价值。
本文原文来自中南大学张斗团队，发表于《Advanced Functional Materials》期刊。