中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
在現(xiàn)代電子設(shè)備不斷追求小型化、輕量化、可穿戴和可植入的趨勢下，柔性電子系統(tǒng)的能源問題日益凸顯。盡管納米技術(shù)推動了設(shè)備的小型化發(fā)展，但像可穿戴醫(yī)療設(shè)備和植入式器械等，依然面臨能源供應(yīng)難題，頻繁充電或更換電池極為不便。從環(huán)境中收集能量成為解決這一問題的關(guān)鍵方向，其中，利用人體活動產(chǎn)生的生物機械能，如行走、呼吸、心跳等，因其清潔、可持續(xù)且取之不盡的特點備受關(guān)注，壓電納米發(fā)電機（PENG）則是實現(xiàn)機械能轉(zhuǎn)化為電能的重要技術(shù)路徑。由于傳統(tǒng)的鐵電陶瓷壓電性能優(yōu)異，卻缺乏柔韌性；壓電聚合物雖柔韌性高，但壓電性較低，因而研發(fā)兼具高壓電性和出色柔韌性的材料成為科研重點。
為了解決這一問題，哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）前沿學(xué)部魏軍、陳祖煌團隊利用晶體取向調(diào)控和水刻蝕犧牲層技術(shù)解除襯底應(yīng)力，在(111)取向的自支撐PbZr0.52Ti0.48O3單晶薄膜中獲得了585pm/V的高壓電系數(shù)，在單晶薄膜中實現(xiàn)了高壓電性和出色柔韌性。此外，基于該薄膜構(gòu)建的納米發(fā)電機展現(xiàn)出令人矚目的性能：輸出功率密度創(chuàng)紀(jì)錄地達到63.5 mW/cm3，超過此前報道的基于多晶薄膜和聚合物復(fù)合材料的 PENG 設(shè)備；柔韌性極佳，應(yīng)變?nèi)菹蕹^3.4%，能適應(yīng)各種復(fù)雜的彎曲變形；機械穩(wěn)定性優(yōu)越，在超過60,000 次的循環(huán)測試中表現(xiàn)穩(wěn)定，展現(xiàn)出良好的耐用性。該研究以題為“Ultrahigh-power-density flexible piezoelectric energy harvester based on freestanding ferroelectric oxide thin films”發(fā)表在最新一期《Nature Communications》上。
圖1.可視化呈現(xiàn)自支撐PZT薄膜的晶體去向調(diào)控策略與器件設(shè)計原理
這項研究工作中通過多種先進技術(shù)對自支撐 PZT 薄膜進行了全面深入的結(jié)構(gòu)分析與極化翻轉(zhuǎn)動力學(xué)表征，并發(fā)現(xiàn)薄膜從襯底釋放后，晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，向與體相類似的單斜相轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變顯著增強了介電和壓電響應(yīng)。原子分辨率的高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（HAADF-STEM）分析表明，自支撐薄膜的極化分布發(fā)生改變，極化矢量方向偏離<001> 方向，更多地分布在單斜相區(qū)域，進一步證實了結(jié)構(gòu)變化對性能提升的關(guān)鍵作用。極化翻轉(zhuǎn)動力學(xué)發(fā)現(xiàn)自支撐薄膜在高電壓下極化翻轉(zhuǎn)由兩步變一步，極化翻轉(zhuǎn)速度變快，這進一步引起了材料壓電性的提高。
圖2. 剛性與自支撐PZT薄膜電學(xué)性能比較，自支撐薄膜獲得了壓電性恢復(fù)
圖3. 基于(111)取向薄膜的柔性壓電能量收集器的電學(xué)性能
在 PENG 設(shè)備性能測試中，作者進行了多項實驗，通過切換極性測試，驗證了電信號源自壓電 PbZr0.52Ti0.48O3薄膜；系統(tǒng)改變彎曲角度，發(fā)現(xiàn)開路電壓隨應(yīng)變率增加而升高。將設(shè)備附著在人體不同部位和機械設(shè)備進行動態(tài)信號測試時，在手指、手腕和肘部彎曲時均能穩(wěn)定輸出電壓和電流信號，測試得到最大開路電壓可達 12V。此外，該設(shè)備的最大瞬時輸出功率密度達到 63.5 mW/cm3，超過了之前基于云母上生長的多晶 PZT 厚膜的PENG 設(shè)備，展現(xiàn)出強大的能量轉(zhuǎn)換能力。
總結(jié)：作者采用晶體去向調(diào)控結(jié)合水刻蝕犧牲層技術(shù)獲得兼?zhèn)涓邏弘娦院统錾犴g性的柔性自支撐PbZr0.52Ti0.48O3單晶薄膜，并基于此優(yōu)異材料制備了具備優(yōu)異輸出性能的柔性PENG。該研究成果不僅在基礎(chǔ)研究層面深化了對鐵電氧化物薄膜性能調(diào)控的理解，更在實際應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。它為高性能柔性電子設(shè)備的發(fā)展開辟了新方向，有望推動可穿戴設(shè)備、便攜式電子設(shè)備以及植入式醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域的變革性發(fā)展。
