纳米能源所压电光电子学应力成像芯片系统

美国佐治亚理工学院(GeorgiaInstituteofTechnology)和中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士领导的研究小组最近利用垂直生长的纳米压电材料阵列研制出大规模发光二极管阵列，并且利用压电光电子学效应首次实现利用外界应力/应变改变纳米压电发光二极管发光强度的过程;首次研制出主动自适应式的、高分辨率的、以光电信号为媒介、并行处理的压力传感成像芯片系统。相关论文于8月11日在线发表在《自然-光子学》杂志上。

用电信号或光电信号成功实现对高分辨率触觉(小于50微米，人的皮肤感知分辨率)的模拟将对新型机器人、人机互动界面等领域有着重大的意义。相比于其它感知器官(如视觉、听觉、嗅觉、味觉等)的研究，触觉的仿生研究目前还很少。现有的压力传感技术多是基于纳米材料的平面型场效应晶体管效应，如自组装的纳米线、有机场效应管等。但是此类研究的分辨率多为毫米或厘米量级，而且相关器件的像素大小、像素点少，测量方式受到非常复杂的交叉电极(crossbarelectrodes)的限制;数据采集也是需要通过硬件开关和软件开关逐个对每个像素点进行“串行”扫描，耗时长，难以实现大面积、高分辨的应力分布快速成像。

近来，王中林教授开创的压电电子学和压电光电子学受到了学术界的广泛关注。压电电子学和压电光电子学效应是王中林教授于2007和2010年首次在国际上提出的两个全新的研究领域，广泛应用于微机械传感、器件驱动和能源领域。对于氧化锌、氮化镓、硫化镉等压电半导体材料，压电电子学效应是指利用压电电场来调制或控制界面或结区的载流子输运过程的一个物理效应;压电光电子学效应是指利用压电电场来调制载流子在光电过程中的分离或结合的一个物理效应;利用压电(光)电子学效应构建的器件就是压电(光)电子学器件。自2010年起，杨青博士等在王中林教授的领导下系统深入地研究了压电光电子效应对无机-无机发光二极管体系(n-ZnOwire/p-GaN)以及无机-有机复合发光二极管体系(n-ZnO/PEDOT:PSS)的调制作用，发现当压电二极管受外界应力时，压电光电子学效应可以使其发光强度增加数倍，相关论文发表在2012及2013年的《纳米快报》上。

基于压电光电子学这一效应，潘曹峰博士领导董林博士、朱光博士等将自上而下的微纳加工技术和自下而上的纳米材料合成很好地结合起来，制备了基于垂直生长的单根氧化锌纳米线阵列的三维大规模压电发光二极管阵列器件;每一个氧化锌纳米线就是一个发光二极管，同时也是一个像素点。该阵列中氧化锌纳米线的直径在1微米左右、线中心间距4微米，像素密度达到6350dpi，器件分辨率达到2.7微米，器件尺寸达到1.5cm*2cm(受显微镜CCD视场限制，论文中报道的样品区域包含超过20000个像素点)。和现有的同类研究相比，在分辨率上提高2-3个数量级，像素数量上提高了几百倍，在像素密度上提高了4-5个数量级!

当器件表面受到外力作用时，受压的纳米线所在的发光二极管光强比没有受压的纳米线所在的光强有显著增强，而且增强程度正比于器件局域所受的外加应力。通过对整个器件的发光二极管阵列的发光强度变化的监控，就可以很容易得知器件表面的受力情况。由于该研究组创新性地采用光信号(而非传统的电信号)来作为表征信号，CCD相机采得的发光二极管阵列图像为载体，这就使得该器件在光传输、数字化处理、光通信等方面有很好的应用前景。而且由于所有的发光二极管的发光强度是利用CCD“并行”记录的，所以相比于传统的“串行”数据记录，该器件具有非常快的应力响应及记录速度。

该研究的重大科学创新是首次实现了大规模基于单根纳米线阵列的纳米器件的制造、表征和系统集成;首次奠定了压电光电子学效应及其在大规模传感成像中的应用;首次在高于人皮肤分辨率的情况下实现了大尺度应力应变成像及记录。该研究的应用范围涵盖生物医疗、人工智能、人机交互、能源和通信等领域;通过封装和填充材料还可起到增强器件机械强度和延长器件工作寿命的作用。此技术在未来可被进一步发展成为多维度压力传感、智能自适应触摸成像和自驱动传感等，以实现压电电子学器件在传感、自驱动系统和人机互动等方面的广泛应用。

论文通讯作者王中林院士是中国科学院北京纳米能源与系统研究所首席科学家，论文第一作者潘曹峰博士现为该所研究员，该所是由中国科学院和北京市联合共建的科研机构。

图一：高分辨率光电并行应力传感芯片设计原理(A)三维压电发光二极管阵列受应力前(B)三维压电发光二极管阵列受应力后，相应受应力的纳米线中产生压电电势(图中彩色纳米线)对应的LED发光强度增强。

图二：高分辨率光电并行应力传感芯片应力成像结果，外力通过一个“PIEZO”形状的模型施加到器件表面，我们就会得到相应的器件表面应力分布图。(A)“piezo”形状的模型位于器件表面。(B)未加应力前，器件发光强度图。(C)施加应力后，器件发光强度分布图。(D)器件表面应力分布结果。