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日前,北京理工大学物理学院吴汉春、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的小範圍內。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範圍。相比于金屬材料和傳統半導體材料,範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範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,該範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範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級博士生闫文傑爲該工作的第一作者,吳漢春教授和洪冠明教授爲通訊作者。此課題結合能帶計算,二維材料,光學與電路設計,並進而在柔性電子的穿戴裝置上得到具體驗證,本研究後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(*爲通訊作者):

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 ? 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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