納米能源所壓電光電子學應力成像芯片系統(tǒng)

　　美國佐治亞理工學院(GeorgiaInstituteofTechnology)和中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士領導的研究小組最近利用垂直生長的納米壓電材料陣列研制出大規(guī)模發(fā)光二極管陣列，并且利用壓電光電子學效應首次實現(xiàn)利用外界應力/應變改變納米壓電發(fā)光二極管發(fā)光強度的過程;首次研制出主動自適應式的、高分辨率的、以光電信號為媒介、并行處理的壓力傳感成像芯片系統(tǒng)。相關(guān)論文于8月11日在線發(fā)表在《自然-光子學》雜志上。

　　用電信號或光電信號成功實現(xiàn)對高分辨率觸覺(小于50微米，人的皮膚感知分辨率)的模擬將對新型機器人、人機互動界面等領域有著重大的意義。相比于其它感知器官(如視覺、聽覺、嗅覺、味覺等)的研究，觸覺的仿生研究目前還很少。現(xiàn)有的壓力傳感技術(shù)多是基于納米材料的平面型場效應晶體管效應，如自組裝的納米線、有機場效應管等。但是此類研究的分辨率多為毫米或厘米量級，而且相關(guān)器件的像素大小、像素點少，測量方式受到非常復雜的交叉電極(crossbarelectrodes)的限制;數(shù)據(jù)采集也是需要通過硬件開關(guān)和軟件開關(guān)逐個對每個像素點進行“串行”掃描，耗時長，難以實現(xiàn)大面積、高分辨的應力分布快速成像。

　　近來，王中林教授開創(chuàng)的壓電電子學和壓電光電子學受到了學術(shù)界的廣泛關(guān)注。壓電電子學和壓電光電子學效應是王中林教授于2007和2010年首次在國際上提出的兩個全新的研究領域，廣泛應用于微機械傳感、器件驅(qū)動和能源領域。對于氧化鋅、氮化鎵、硫化鎘等壓電半導體材料，壓電電子學效應是指利用壓電電場來調(diào)制或控制界面或結(jié)區(qū)的載流子輸運過程的一個物理效應;壓電光電子學效應是指利用壓電電場來調(diào)制載流子在光電過程中的分離或結(jié)合的一個物理效應;利用壓電(光)電子學效應構(gòu)建的器件就是壓電(光)電子學器件。自2010年起，楊青博士等在王中林教授的領導下系統(tǒng)深入地研究了壓電光電子效應對無機-無機發(fā)光二極管體系(n-ZnOwire/p-GaN)以及無機-有機復合發(fā)光二極管體系(n-ZnO/PEDOT:PSS)的調(diào)制作用，發(fā)現(xiàn)當壓電二極管受外界應力時，壓電光電子學效應可以使其發(fā)光強度增加數(shù)倍，相關(guān)論文發(fā)表在2012及2013年的《納米快報》上。

　　基于壓電光電子學這一效應，潘曹峰博士領導董林博士、朱光博士等將自上而下的微納加工技術(shù)和自下而上的納米材料合成很好地結(jié)合起來，制備了基于垂直生長的單根氧化鋅納米線陣列的三維大規(guī)模壓電發(fā)光二極管陣列器件;每一個氧化鋅納米線就是一個發(fā)光二極管，同時也是一個像素點。該陣列中氧化鋅納米線的直徑在1微米左右、線中心間距4微米，像素密度達到6350dpi，器件分辨率達到2.7微米，器件尺寸達到1.5cm*2cm(受顯微鏡CCD視場限制，論文中報道的樣品區(qū)域包含超過20000個像素點)。和現(xiàn)有的同類研究相比，在分辨率上提高2-3個數(shù)量級，像素數(shù)量上提高了幾百倍，在像素密度上提高了4-5個數(shù)量級!

　　當器件表面受到外力作用時，受壓的納米線所在的發(fā)光二極管光強比沒有受壓的納米線所在的光強有顯著增強，而且增強程度正比于器件局域所受的外加應力。通過對整個器件的發(fā)光二極管陣列的發(fā)光強度變化的監(jiān)控，就可以很容易得知器件表面的受力情況。由于該研究組創(chuàng)新性地采用光信號(而非傳統(tǒng)的電信號)來作為表征信號，CCD相機采得的發(fā)光二極管陣列圖像為載體，這就使得該器件在光傳輸、數(shù)字化處理、光通信等方面有很好的應用前景。而且由于所有的發(fā)光二極管的發(fā)光強度是利用CCD“并行”記錄的，所以相比于傳統(tǒng)的“串行”數(shù)據(jù)記錄，該器件具有非?？斓膽憫坝涗浰俣?。

　　該研究的重大科學創(chuàng)新是首次實現(xiàn)了大規(guī)模基于單根納米線陣列的納米器件的制造、表征和系統(tǒng)集成;首次奠定了壓電光電子學效應及其在大規(guī)模傳感成像中的應用;首次在高于人皮膚分辨率的情況下實現(xiàn)了大尺度應力應變成像及記錄。該研究的應用范圍涵蓋生物醫(yī)療、人工智能、人機交互、能源和通信等領域;通過封裝和填充材料還可起到增強器件機械強度和延長器件工作壽命的作用。此技術(shù)在未來可被進一步發(fā)展成為多維度壓力傳感、智能自適應觸摸成像和自驅(qū)動傳感等，以實現(xiàn)壓電電子學器件在傳感、自驅(qū)動系統(tǒng)和人機互動等方面的廣泛應用。

　　論文通訊作者王中林院士是中國科學院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首席科學家，論文第一作者潘曹峰博士現(xiàn)為該所研究員，該所是由中國科學院和北京市聯(lián)合共建的科研機構(gòu)。

　　圖一：高分辨率光電并行應力傳感芯片設計原理(A)三維壓電發(fā)光二極管陣列受應力前(B)三維壓電發(fā)光二極管陣列受應力后，相應受應力的納米線中產(chǎn)生壓電電勢(圖中彩色納米線)對應的LED發(fā)光強度增強。

　　圖二：高分辨率光電并行應力傳感芯片應力成像結(jié)果，外力通過一個“PIEZO”形狀的模型施加到器件表面，我們就會得到相應的器件表面應力分布圖。(A)“piezo”形狀的模型位于器件表面。(B)未加應力前，器件發(fā)光強度圖。(C)施加應力后，器件發(fā)光強度分布圖。(D)器件表面應力分布結(jié)果。