研究背景
随着物联网和5G通信技术的蓬勃发展，柔性电子材料与器件的经济和战略地位日益凸显。柔性压电材料作为一类新型传感材料，凭借其特有的力电耦合性能成为制备柔性电子器件的基础。传统的PVDF压电聚合物虽表现出良好的柔性，但压电性能较差（~20pC/N），存在难以兼具柔性和高压电性能的问题，严重制约了实际应用。沉积在硬质衬底上的氧化物薄膜，需利用物理或化学刻蚀技术使其剥离，并转移至柔性衬底上从而实现柔性化。但此方法存在工艺繁琐、结合性弱、大面积转移困难等问题。因此，研发兼顾柔性和高压电性的功能薄膜，并以此为关键核心层制备柔性压电换能器，对推动柔性压电器件的发展具有重要的研究意义。成果简介
Sm掺杂的PMN-PT(Sm:PMN-PT)陶瓷和晶体表现出卓越的压电性能，但是其薄膜材料及相关器件尚未见报道。近日，济南大学杨长红教授等人联合澳大利亚伍伦贡大学ChengZhenxiang教授合作报道了用于能量收集和压力传感的柔性高压电系数Sm:PMN-PT薄膜。采用二维云母基底通过“一步法”实现Sm:PMN-PT压电薄膜的柔性化，有效避免了薄膜转移过程中造成的质量下降、成本高的问题。基于云母衬底对Sm:PMN-PT薄膜的弱夹持效应，获得了高压电性能（d33~pm/V），相较于硬质Si基衬底上同组分的薄膜（d33~pm/V）得到大幅度提升。并利用有机PDMS封装制备柔性压电换能器。受益于薄膜的大压电系数，在60°弯曲时表现出高输出性能（开路电压~6V，短路电流密度~μA/cm2），在0~1.5N低压范围内具有高灵敏度~5.86V/N。同时该器件可用于监测人体运动，如手指按压/弯曲、脚踩、手腕弯曲等，也可以贴附于智能手机屏上以获取手指触控信息，充分显示了其在运动监测、电子皮肤、人机界面和可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。相关成果以“Flexibleall-inorganicSm-dopedPMN-PTfilmwithultrahighpiezoelectriccoefficientformechanicalenergyharvesting,motionsensing,andhuman-machineinteraction”为题发表在国际 期刊NanoEnergy上。图文导读
图1.(a)云母衬底和云母衬底上制备的Sm:PMN-PT薄膜XRD图谱；(b)薄膜的AFM表面形貌；(c)薄膜的FESEM断面结构；(d)云母衬底和云母上薄膜的光学透过率；(e)云母衬底和(f)Sm:PMN-PT/云母的透明性数码图像；(g)不同尺寸的云母基片的数码图像；(h)减薄后可弯曲的云母片(~10μm)；(i)Pt/Sm:PMN-PT/云母照片和(j)封装后的柔性换能器实物照片。
图2.(a)不同弯曲半径下薄膜的P-E电滞回线；(b)次弯曲前后P-E电滞回线；(c)PFM压电响应曲线和相位曲线；(d)PFM施加直流偏置后薄膜的相位图像。
图3.不同弯曲角度(15°、30°、45°、60°)下压电换能器的(a)开路电压，插图为弯曲示意图和(b)短路电流密度；(c)60°弯曲状态下应变分布；(d)柔性压电换能器的工作原理；(e)输出性能与外接电阻的关系；(f)整流后手弯曲换能器自由端产生的电压信号，点亮两个商用绿色LED，插图为发光的LED。
图4.(a)落锤实验示意图；(b,c)不同质量的砝码从20cm高度下落冲击压电换能器时产生的输出电压和电流，插图为局部放大的输出电流脉冲与时间的关系；(d)柔性压电换能器的输出电压和电流对外力的依赖性；(e)柔性压电换能器的循环冲击性能；(f)不同温度下柔性压电换能器的输出性能；(g)不同湿度下柔性压电换能器的输出性能；(h)柔性压电换能器表面水滴接触角。
图5.薄膜换能器用于监测人体运动:(a)人体运动示意图；(b)不同运动形式下（指压、手拍、脚踩）的输出电压；(c)手指和(d)手腕在不同弯曲程度下的输出电流；(e)实时监测人手抓取塑料洗瓶时的电流输出；(b-e)的插图分别为传感器放置在不同部位时相应的数码图像。
图6.(a)柔性压电传感器阵列示意图；(b)柔性传感器阵列工作原理图；(c)利用压电传感器阵列贴附于智能手机屏上可有效感知手指触点位置。
作者介绍
杨长红，济南大学教授，博士生导师。长期从事铁电/压电薄膜材料及器件、高温压电材料与器件、压电材料在智能建材中的应用等方面研究。近几年来先后开展了柔性铁电/压电薄膜、介电储能薄膜、铁电电卡制冷及压电换能等领域的研究。相关论文发表在AdvancedEnergyMaterials、ACSEnergyLetters、NanoEnergy、JournalofMaterialsChemistryA等期刊上。近期代表作：1.PanpanLv#,JinQian#,ChanghongYang*,etal.Flexibleall-inorganicSm-dopedPMN-PTfilmwithultrahighpiezoelectriccoefficientformechanicalenergyharvesting,motionsensing,andhuman-machineinteraction,NanoEnergy(,DOI:10./j.nanoen...)2.ChanghongYang,PanpanLv,JinQian,etal.Fatigue-FreeandBending-EndurableFlexibleMn-DopedNa0.5Bi0.5TiO3-BaTiO3-BiFeO3FilmCapacitorwithanUltrahighEnergyStoragePerformance,AdvancedEnergyMaterials,9(18):,()3.PanpanLv,ChanghongYang*,JinQian,etal.FlexibleLead-FreePerovskiteOxideMultilayerFilmCapacitorBasedon(Na0.8K0.2)0.5Bi0.5TiO3/Ba0.5Sr0.5(Ti0.97Mn0.03)O3forHigh-PerformanceDielectricEnergyStorage,AdvancedEnergyMaterials,10(14):,()4.PanpanLv#,JinQian#,ChanghongYang*,etal.4-inchTernaryBiFeO3–BaTiO3–SrTiO3ThinFilmCapacitorwithHighEnergyStoragePerformance,ACSEnergyLetters,6(11):?,()5.ChanghongYang,ChaoFeng,PanpanLv,etal.Coexistenceofgiantpositiveandlargenegativeelectrocaloriceffectsinlead-freeferroelectricthinfilmforcontinuoussolid-staterefrigeration,NanoEnergy,88:,()论文信息
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