第一作者：Jian Wang、Jianfeng Jiang
通訊作者：Congcong Zhang、Dehui Sun、Hong Liu
通訊單位：濟(jì)南大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院
研究亮點(diǎn)：
1.壓電能量作為柵電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)OFET實(shí)現(xiàn)節(jié)能。OFET利用信號(hào)放大功能來(lái)提高器件的靈敏度。
2.基于并五苯有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和PVDF納米棒陣列的壓電式觸覺(jué)傳感器不僅可以定量檢測(cè)不同砝碼的質(zhì)量(10-200g)，還可以實(shí)時(shí)靈活檢測(cè)人體手腕的彎曲角度(0-90)。
3.柔性微陣列壓電單元與柔性信號(hào)放大單元的集成，以其便攜性、高能效和全柔性的特點(diǎn)，在人機(jī)交互和可穿戴設(shè)備領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。
研究背景：
目前商業(yè)化的機(jī)器人系統(tǒng)缺乏觸覺(jué)感知功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的智能化應(yīng)用。機(jī)器人智能電子皮膚是利用新材料、微機(jī)電和傳感器等技術(shù)開(kāi)發(fā)的能夠模仿人體皮膚保護(hù)、感知等功能的柔性電子系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人觸覺(jué)功能的重要途徑。針對(duì)壓電傳感器靈敏度高但壓電納米材料的力-電轉(zhuǎn)換信號(hào)微弱，容易湮沒(méi)在噪聲中的瓶頸問(wèn)題，濟(jì)南大學(xué)劉宏教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)納米尺度柔性壓電傳感原理和材料的設(shè)計(jì)，借助FET器件對(duì)壓電信號(hào)的耦合增強(qiáng)力-電轉(zhuǎn)換信號(hào)，獲得高靈敏度的壓電型壓力傳感單元。壓電材料介導(dǎo)的力-電轉(zhuǎn)換效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)壓力傳感的基礎(chǔ)，以納米棒為基礎(chǔ)的壓電材料的力-電轉(zhuǎn)換效應(yīng)與傳統(tǒng)意義的壓電響應(yīng)明顯不同，納米尺度引入的縱向柔性特征，使得壓電響應(yīng)信號(hào)來(lái)源多樣化和協(xié)同化。借此研究了壓電放電對(duì)FET半導(dǎo)體輸運(yùn)性能的影響，通過(guò)對(duì)FET柵極電壓的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米棒陣列力-電耦合效應(yīng)的放大機(jī)制的掌握，并對(duì)壓力測(cè)試 極限、靈敏度、FET 放大倍數(shù)等進(jìn)行深入研究。
圖文導(dǎo)讀：
為了獲得具有高機(jī)電轉(zhuǎn)換功能的柔性信號(hào)輸入單元，我們以AAO模板輔助采用熱壓法獲得了一種典型的有機(jī)壓電材料β-PVDF納米棒陣列。納米尺度引入的縱向柔性特征，使得壓電響應(yīng)信號(hào)進(jìn)一步增強(qiáng)。
圖1: PVDF壓電元件的結(jié)構(gòu)
為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大功能和改善傳感器信號(hào)的輸出，我們制作了一種精密的底柵頂電極OFET器件作為信號(hào)輸出終端并測(cè)試了其電學(xué)傳輸性能。
圖2：作為信號(hào)放大單元的并五苯晶體管的構(gòu)造
圖3：作為信號(hào)放大單元的并五苯晶體管的電學(xué)傳輸特性
利用信號(hào)輸入和輸出組件的優(yōu)良優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)連接PVDF壓電單元和OFET的源電極和柵電極，集成了基于壓電效應(yīng)的高靈敏度、低功耗的觸覺(jué)傳感器。由于通過(guò)壓力產(chǎn)生的電信號(hào)作為柵電壓，足以打開(kāi)OFET，所以微小的壓力變化會(huì)引起輸出電流的明顯變化，不需要額外的柵電壓信號(hào)輸入。
圖4：并五苯壓電晶體管的工作機(jī)理
為了證明所制備的壓電式傳感器具有良好的傳感性能，在沒(méi)有柵壓的情況下，采用不同重量(10- 200 g)的壓電式傳感器作為輸入壓力。正如預(yù)期的那樣，PVDF納米棒陣列的形變隨著重量的增加而增加，從而導(dǎo)致了極化電壓作為柵電壓的增加，最終導(dǎo)致輸出源漏極電流信號(hào)呈線性增加。
圖5：并五苯壓電晶體管的性能測(cè)試
雖然OFET信號(hào)放大式壓電壓力傳感器具有良好的傳感性能，但由于OFET器件是建立在硅基板上，實(shí)現(xiàn)其柔性很困難。因此，利用有機(jī)半導(dǎo)體在任何基底上良好的加工性能，制作了具有全柔性O(shè)FET信號(hào)放大的壓電壓力傳感器。
圖6：柔性壓電晶體管的性能測(cè)試
結(jié)論：
本研究有望解決觸覺(jué)傳感器靈敏度、可靠性、 穩(wěn)定性、批量制備、等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與技術(shù)瓶頸，為機(jī)器人系統(tǒng)提供智能化的電子皮膚，為應(yīng)用示范提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105050
作者簡(jiǎn)介：
王建，2018年畢業(yè)于濟(jì)南大學(xué)，獲學(xué)士學(xué)位。目前在濟(jì)南大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院 (IAIR)劉宏教授領(lǐng)導(dǎo)的小組攻讀碩士學(xué)位。主要從事柔性壓力傳感器的制造和應(yīng)用，以及場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的組裝。
姜健峰，山東大學(xué)微電子學(xué)院碩士生。自2020年起，他在北京大學(xué)電子系攻讀博士學(xué)位。目前主要研究領(lǐng)域?yàn)榛诘途S半導(dǎo)體材料的高性能場(chǎng)效應(yīng)晶體管和邏輯電路、生物傳感器和壓電傳感器等。
張叢叢，2017年獲天津大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系博士學(xué)位。隨后，她在濟(jì)南大學(xué)前沿交叉研究所擔(dān)任講師。她的興趣是分子電子學(xué)，高功能超分子納米組裝和基于FETs的生物傳感器。Ifc_zhangcc@ujn.edu.cn
孫德輝，濟(jì)南大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院講師。2015年獲得山東大學(xué)晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士學(xué)位。他的研究主要集中在晶體生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)分析方面，特別是對(duì)非線性晶體和電光晶體。
劉宏，濟(jì)南大學(xué)前沿交叉研究院院長(zhǎng)，山東大學(xué)晶體材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授。2001年獲山東大學(xué)博士學(xué)位。目前主要研究方向?yàn)榻M織工程、納米材料和納米器件，特別是納米材料和納米器件在氣體和生物傳感器、環(huán)境保護(hù)、新能源等領(lǐng)域的應(yīng)用。hongliu@sdu.edu.cn
