基于壓電-熱釋電光電子效應(yīng)的超快、自供電單片壓力傳感器研究

壓力檢測(cè)在微機(jī)電系統(tǒng)和智能可穿戴傳感領(lǐng)域具有重要意義，已經(jīng)在工業(yè)、軍事、科學(xué)研究和日常生活中獲得廣泛應(yīng)用。迄今，人們?cè)?a href="http://ttokpm.com/tags/壓力傳感器/" target="_blank">壓力傳感器領(lǐng)域的探索、開發(fā)和商業(yè)化方面已經(jīng)取得了矚目的成果。研究表明，由于壓阻效應(yīng)具有線性范圍寬、集成能力強(qiáng)、耐用可靠等優(yōu)點(diǎn)，仍然是壓力傳感器采用的主要檢測(cè)原理。

然而，壓阻響應(yīng)的靈敏度受到傳感材料固有特性的限制，這取決于電阻率和載流子遷移率。為了提高靈敏度，人們提出了各種策略，如優(yōu)化晶體取向、摻雜雜質(zhì)以及使用特殊材料等。盡管取得了一些進(jìn)步，但基于壓阻特性的傳感器通常涉及復(fù)雜的制造工藝，需要外部電路和電壓源，而且響應(yīng)速度相對(duì)較慢，這限制了其在快速壓力變化檢測(cè)中的應(yīng)用。因此，迫切需要開發(fā)一種基于替代物理機(jī)制的創(chuàng)新型壓力傳感器，以提供簡(jiǎn)單可靠的制備方法、基于能量收集的自供電能力，以及更快的響應(yīng)速度。

利用材料的壓電特性已成為一種很有前途的壓力檢測(cè)方法，尤其是在非中心對(duì)稱半導(dǎo)體中。當(dāng)對(duì)壓電材料施加壓力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生極化電荷，從而改變能帶結(jié)構(gòu)并操縱系統(tǒng)中電荷載流子的傳輸。這將導(dǎo)致輸出電流或電壓發(fā)生變化，從而可用于確定壓力信號(hào)。此外，引入光照射可以優(yōu)化電荷載流子的產(chǎn)生、分離、傳輸和重組過程，從而通過壓電光電效應(yīng)提高傳感性能。雖然在不同的系統(tǒng)中都觀察到了壓電光電效應(yīng)，但在壓力傳感器中尚未得到充分利用。此外，瞬時(shí)光照射也會(huì)誘發(fā)熱釋電勢(shì)，從而進(jìn)一步調(diào)節(jié)光電過程。通過將熱釋電效應(yīng)與壓電效應(yīng)相結(jié)合，壓力傳感的靈敏度有望得到顯著提高。

最近的研究表明，即使非中心對(duì)稱材料作為附加層或非光敏層存在，仍能實(shí)現(xiàn)出色的偏振調(diào)制。這擴(kuò)大了它們?cè)诟鞣N結(jié)構(gòu)壓力傳感器中的適用性。然而，目前對(duì)整合壓電、光激發(fā)和熱釋電效應(yīng)的新型壓力傳感器的研究還很有限。因此，迫切需要進(jìn)一步探索和開發(fā)利用這些組合效應(yīng)的壓力傳感器，以充分挖掘它們?cè)趬毫鞲袘?yīng)用中的潛力。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、河北省光電信息與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出了一種新型傳感機(jī)制，利用由銅銦鎵硒（CIGS）組成的單片多層異質(zhì)結(jié)來檢測(cè)壓力。這種傳感機(jī)制結(jié)合了過剩載流子的光激發(fā)、載流子輸運(yùn)改性的壓電性以及優(yōu)化非均勻光照下橫向光電效應(yīng)（LPE）中光電過程的熱釋電性。通過利用產(chǎn)生表面電荷載流子梯度的特殊照明，可誘發(fā)橫向光電壓（LPV），從而展示了傳感器的自供電特性。

為了控制LPE性能，利用壓電光電效應(yīng)將具有c軸取向的均勻氧化鋅納米線陣列集成到異質(zhì)結(jié)中。當(dāng)對(duì)異質(zhì)結(jié)施加垂直壓力時(shí)，氧化鋅納米線中由壓力引起的壓電勢(shì)會(huì)改變能帶結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)光生電荷載流子的傳輸，提高輸出LPV。LPV的增強(qiáng)取決于激光位置、功率和波長(zhǎng)，與0~2.0 MPa外部壓力呈現(xiàn)了極好的線性關(guān)系。這表明了其寬廣的線性響應(yīng)范圍和穩(wěn)定的壓力靈敏度。此外，瞬態(tài)溫度變化誘導(dǎo)的熱釋電勢(shì)與脈沖激光照射下通過熱釋電光電子效應(yīng)促進(jìn)的載流子梯度相耦合，最終實(shí)現(xiàn)了64.25 mV/MPa的最佳壓力靈敏度和7.8/8.9 μs的驚人快速響應(yīng)。這項(xiàng)研究提出了一種利用單片結(jié)構(gòu)開發(fā)基于壓電-熱釋電光電子效應(yīng)的超快、高靈敏度、自供電壓力傳感器的新方法。

該研究成果已經(jīng)以“Ultrafast, self-powered monolithic pressure sensing technology induced by piezo-pyrophototronics”為題發(fā)表于Nano Energy期刊。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109480

審核編輯：劉清