納米能源所壓電光電子學(xué)應力成像芯片系統

　　美國佐治亞理工學(xué)院(GeorgiaInstituteofTechnology)和中國科學(xué)院北京納米能源與系統研究所王中林院士領(lǐng)導的研究小組最近利用垂直生長(cháng)的納米壓電材料陣列研制出大規模發(fā)光二極管陣列，并且利用壓電光電子學(xué)效應首次實(shí)現利用外界應力/應變改變納米壓電發(fā)光二極管發(fā)光強度的過(guò)程;首次研制出主動(dòng)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。相關(guān)論文于8月11日在線(xiàn)發(fā)表在《自然-光子學(xué)》雜志上。

　　用電信號或光電信號成功實(shí)現對高分辨率觸覺(jué)(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(dòng)界面等領(lǐng)域有著(zhù)重大的意義。相比于其它感知器官(如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等)的研究，觸覺(jué)的仿生研究目前還很少?，F有的壓力傳感技術(shù)多是基于納米材料的平面型場(chǎng)效應晶體管效應，如自組裝的納米線(xiàn)、有機場(chǎng)效應管等。但是此類(lèi)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(diǎn)少，測量方式受到非常復雜的交叉電極(crossbarelectrodes)的限制;數據采集也是需要通過(guò)硬件開(kāi)關(guān)和軟件開(kāi)關(guān)逐個(gè)對每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行“串行”掃描，耗時(shí)長(cháng)，難以實(shí)現大面積、高分辨的應力分布快速成像。

　　近來(lái)，王中林教授開(kāi)創(chuàng )的壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)效應是王中林教授于2007和2010年首次在國際上提出的兩個(gè)全新的研究領(lǐng)域，廣泛應用于微機械傳感、器件驅動(dòng)和能源領(lǐng)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(xué)效應是指利用壓電電場(chǎng)來(lái)調制或控制界面或結區的載流子輸運過(guò)程的一個(gè)物理效應;壓電光電子學(xué)效應是指利用壓電電場(chǎng)來(lái)調制載流子在光電過(guò)程中的分離或結合的一個(gè)物理效應;利用壓電(光)電子學(xué)效應構建的器件就是壓電(光)電子學(xué)器件。自2010年起，楊青博士等在王中林教授的領(lǐng)導下系統深入地研究了壓電光電子效應對無(wú)機-無(wú)機發(fā)光二極管體系(n-ZnOwire/p-GaN)以及無(wú)機-有機復合發(fā)光二極管體系(n-ZnO/PEDOT:PSS)的調制作用，發(fā)現當壓電二極管受外界應力時(shí)，壓電光電子學(xué)效應可以使其發(fā)光強度增加數倍，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(xué)這一效應，潘曹峰博士領(lǐng)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合起來(lái)，制備了基于垂直生長(cháng)的單根氧化鋅納米線(xiàn)陣列的三維大規模壓電發(fā)光二極管陣列器件;每一個(gè)氧化鋅納米線(xiàn)就是一個(gè)發(fā)光二極管，同時(shí)也是一個(gè)像素點(diǎn)。該陣列中氧化鋅納米線(xiàn)的直徑在1微米左右、線(xiàn)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(chǎng)限制，論文中報道的樣品區域包含超過(guò)20000個(gè)像素點(diǎn))。和現有的同類(lèi)研究相比，在分辨率上提高2-3個(gè)數量級，像素數量上提高了幾百倍，在像素密度上提高了4-5個(gè)數量級!

　　當器件表面受到外力作用時(shí)，受壓的納米線(xiàn)所在的發(fā)光二極管光強比沒(méi)有受壓的納米線(xiàn)所在的光強有顯著(zhù)增強，而且增強程度正比于器件局域所受的外加應力。通過(guò)對整個(gè)器件的發(fā)光二極管陣列的發(fā)光強度變化的監控，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(而非傳統的電信號)來(lái)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，所以相比于傳統的“串行”數據記錄，該器件具有非?？斓膽憫坝涗浰俣?。

　　該研究的重大科學(xué)創(chuàng )新是首次實(shí)現了大規?；趩胃{米線(xiàn)陣列的納米器件的制造、表征和系統集成;首次奠定了壓電光電子學(xué)效應及其在大規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(shí)現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療、人工智能、人機交互、能源和通信等領(lǐng)域;通過(guò)封裝和填充材料還可起到增強器件機械強度和延長(cháng)器件工作壽命的作用。此技術(shù)在未來(lái)可被進(jìn)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動(dòng)傳感等，以實(shí)現壓電電子學(xué)器件在傳感、自驅動(dòng)系統和人機互動(dòng)等方面的廣泛應用。

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

　　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(xiàn)中產(chǎn)生壓電電勢(圖中彩色納米線(xiàn))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果，外力通過(guò)一個(gè)“PIEZO”形狀的模型施加到器件表面，我們就會(huì )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果。