中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
在現代電子設備不斷追求小型化、輕量化、可穿戴和可植入的趨勢下，柔性電子系統的能源問(wèn)題日益凸顯。盡管納米技術(shù)推動(dòng)了設備的小型化發(fā)展，但像可穿戴醫療設備和植入式器械等，依然面臨能源供應難題，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(wèn)題的關(guān)鍵方向，其中，利用人體活動(dòng)產(chǎn)生的生物機械能，如行走、呼吸、心跳等，因其清潔、可持續且取之不盡的特點(diǎn)備受關(guān)注，壓電納米發(fā)電機（PENG）則是實(shí)現機械能轉化為電能的重要技術(shù)路徑。由于傳統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(diǎn)。
為了解決這一問(wèn)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控和水刻蝕犧牲層技術(shù)解除襯底應力，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，在單晶薄膜中實(shí)現了高壓電性和出色柔韌性。此外，基于該薄膜構建的納米發(fā)電機展現出令人矚目的性能：輸出功率密度創(chuàng )紀錄地達到63.5 mW/cm3，超過(guò)此前報道的基于多晶薄膜和聚合物復合材料的 PENG 設備；柔韌性極佳，應變容限超過(guò)3.4%，能適應各種復雜的彎曲變形；機械穩定性?xún)?yōu)越，在超過(guò)60,000 次的循環(huán)測試中表現穩定，展現出良好的耐用性。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.可視化呈現自支撐PZT薄膜的晶體去向調控策略與器件設計原理
這項研究工作中通過(guò)多種先進(jìn)技術(shù)對自支撐 PZT 薄膜進(jìn)行了全面深入的結構分析與極化翻轉動(dòng)力學(xué)表征，并發(fā)現薄膜從襯底釋放后，晶格結構發(fā)生變化，向與體相類(lèi)似的單斜相轉變，這一轉變顯著(zhù)增強了介電和壓電響應。原子分辨率的高角度環(huán)形暗場(chǎng)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域，進(jìn)一步證實(shí)了結構變化對性能提升的關(guān)鍵作用。極化翻轉動(dòng)力學(xué)發(fā)現自支撐薄膜在高電壓下極化翻轉由兩步變一步，極化翻轉速度變快，這進(jìn)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
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 設備性能測試中，作者進(jìn)行了多項實(shí)驗，通過(guò)切換極性測試，驗證了電信號源自壓電 PbZr0.52Ti0.48O3薄膜；系統改變彎曲角度，發(fā)現開(kāi)路電壓隨應變率增加而升高。將設備附著(zhù)在人體不同部位和機械設備進(jìn)行動(dòng)態(tài)信號測試時(shí)，在手指、手腕和肘部彎曲時(shí)均能穩定輸出電壓和電流信號，測試得到最大開(kāi)路電壓可達 12V。此外，該設備的最大瞬時(shí)輸出功率密度達到 63.5 mW/cm3，超過(guò)了之前基于云母上生長(cháng)的多晶 PZT 厚膜的PENG 設備，展現出強大的能量轉換能力。
總結：作者采用晶體去向調控結合水刻蝕犧牲層技術(shù)獲得兼備高壓電性和出色柔韌性的柔性自支撐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研究層面深化了對鐵電氧化物薄膜性能調控的理解，更在實(shí)際應用領(lǐng)域展現出巨大潛力。它為高性能柔性電子設備的發(fā)展開(kāi)辟了新方向，有望推動(dòng)可穿戴設備、便攜式電子設備以及植入式醫療設備等領(lǐng)域的變革性發(fā)展。
