北理工在柔性电子学和可穿戴器件研究方面取得重要进展


日前,pc蛋蛋自动投注模式物理学院吴汉春、王志、江兆潭教授研究团队,与高雄科技大学洪冠明教授、台湾大学张庆瑞教授、吴育任教授、湖南大学陈克求教授、印度旁遮普大学Sunil Arora教授合作,发展了一种利用范德华层状材料提高应变传感器应变灵敏度因子的方法,相对于金属材料至少提高了500倍以上的灵敏度。通过利用压电效应和光电效应的交互作用,除了应变灵敏系数提高外,也同时提高应变灵敏度因子的可调节范围,并且具体展示了其在人体日常运动捕捉微小振动感知方面的应用,在柔性电子学的原理与应用上有重要贡献。该创新成果于四月一日发表在《自然》子刊Nature Communications上。

近年来,软体机器人、远程监控、人工智能和可穿戴医疗设备发展迅速,对应变传感器的柔韧性、灵敏度和低功耗有了更高的要求。目前,商用应变传感器主要基于金属材料。但是金属没有能隙,因此金属应变传感器的应变灵敏度因子一般会局限在1-5的小范围内。传统半导体的能隙应变虽然可调,但是传统半导体材料通常很脆,也限制了其在穿戴式设备的应变探测范围。相比于金属材料和传统半导体材料,范德华层状半导体材料具有优良的柔韧性、光电特性和压电特性,在能源储存、光电、传感、可穿戴设备等方面有巨大的应用前景。基于此,本跨国际与跨领域的合作团队提出了基于范德华层状半导体材料的柔性应变传感器。通过压电效应和光电效应的共同作用调节载流子的浓度和迁移率,首次实现了应变灵敏度因子可在高达23-3933区间内连续可调。此外,如下图所展示,该范德华柔性传感器可以检测声音引起的微小振动和监测人体日常运动,充分展示了其在机器人、远程监控、人工智能和可穿戴医疗等领域潜在的应用前景。

图1范德华层状材料应变传感器检测声音引起的微小振动及监测人体日常运动。

物理学院2016级博士生闫文杰为该工作的第一作者,吴汉春教授和洪冠明教授为通讯作者。此课题结合能带计算,二维材料,光学与电路设计,并进而在柔性电子的穿戴装置上得到具体验证,本研究后续的应用发展值得期待。该工作得到了国家自然科学基金面上项目和国家重点研发计划,以及pc蛋蛋自动投注模式科技创新计划的支持。

文章信息(*为通讯作者):

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 ? 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).

文章链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-22316-8


分享到: