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南科大刘玮书教授团队 Nat. Commun.: 在电压响应的力热双模态传感器取得新进展

时间：2023-09-24 来源： 浏览：

南科大刘玮书教授团队 Nat. Commun.: 在电压响应的力热双模态传感器取得新进展

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铁电聚合物由于其化学稳定性、柔韧性、低温可加工性、生物相容性等优点，在机电和电热校正(如传感器、光电传感器、光电传感器和能量收集)方面具有广阔的应用前景，引起了人们的极大关注。最广泛使用的基于铁电聚合物的传感器包含聚偏氟乙烯(PVDF)或其共聚物，其将压力、温度、应变和振动刺激转化为基于热释电、压电、电场和电场效应的自由表面结合电荷，而一对顶部和底部平面电极将这些电荷转化为外部负载。结果表明，铁电聚合物器件的传感性能取决于压电系数(d 33 )、热释电系数(p)以及电极与聚合物之间的界面。传统的聚偏氟乙烯-共三氟乙烯共聚物(P(VDF - TrFE))由于其压电系数和热释电系数相对较低，传感器电压输出较低，导致传感器不能满足高灵敏度传感的高电压输出需求。因此，P(VDF-TrFE)的压电系数和热释电系数对于提高P(VDF-TrFE)传感器的灵敏度和检测限至关重要。
近期， 南方科技大学材料系刘玮书教授、 李波 副教授 和 湘潭大学材料学院侯鹏飞副教授等 在高性能聚合物传感器领域取得新进展，相关成果分别发表以“Ultrasensitive Mechanical/Thermal Response of a P(VDF-TrFE) Sensor with a Tailored Network Interconnection Interface”为题发表在 Nature Communications 上。该工作被编辑选为 Highlight文章 。 南方科技大学为论文第一单位，合作单位包括 湘潭大学、 华中科技大学。

铁电聚合物由于其化学稳定性、柔韧性、生物相容性等在传感器、致动器和能量采集等领域有广泛应用。然而其低压电系数、热释电系数限制了铁电聚合物的进一步应用范围。因此，制备出高压电系数和热释电系数的成为关键。基于此，团队提出了通过界面工程提升铁电聚合物灵敏度的技术路线。聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐 (PEDOT:PSS)为传感器电极，利用二甲基亚砜(DMSO)等通过扩散在P(VDF-TrFE)和PEDOT:PSS间形成互连界面结构(NII)，该NII结构可增强复合膜的电荷收集能力并改善电极与聚合物的界面结合性。所制备的PEDOT:PSS/ P(VDF-TrFE)复合膜压电系数(d33)高达-86 pC N −1 ，热释电系数(p)高达95 μC m −2 K −1 。

图1. P(VDF-TrFE)/PEDOT:PSS复合膜结构。(a-c) NII界面元素分布图；(d-f) 不同电极材料P(VDF-TrFE)的压电系数及热释电系数。

图2. (a-b)不同NII厚度比下复合薄膜的压电系数和热释电系数；(c) 复合薄膜的电容变化；(d) 复合膜的压电系数与NII厚度的关系；(e) 复合膜的压电系数随DMSO体积分数的变化；(f) 不同溶液制备的复合膜的压电系数比较。
同时该P(VDF-TrFE)/PEDOT:PSS复合薄膜表现出超高灵敏度力/热传感特性。在0.025-100 kPa的压力范围内传感灵敏度达2.2 V kPa −1 的灵敏度，在0.05-10 K的温度范围内传感灵敏度为 6.4 V K −1 。文章认为这一发现有助于提升聚合物膜的压电和热释电性能，有望将其用于语音识别，人体健康监控等方面。

图3. (a-c) P(VDF-TrFE)/PEDOT:PSS复合膜力响应特性；(d-f) P(VDF-TrFE)/PEDOT:PSS复合膜热响应特性；(g-h) 力和热传感灵敏度对比；(i) 复合膜的压电和热释电响应的稳定性。

图4. P(VDF-TrFE)/PEDOT:PSS复合膜用于(a-b) 脉搏监控；(c) 语音识别。
综上，利用PEDOT:PSS穿透电极制备了具有高压电系数(- 86 pC N −1 )和热释电系数(95 μC m −2  K −1 )的复合膜。P(VDF-TrFE)与PEDOT:PSS在复合膜中形成网状互连界面。网络互连界面改善了复合膜的电荷收集和介电性能，提高了压电和热释电系数，相场模拟证实了这一点。此外，P(VDF-TrFE)/PEDOT:PSS复合膜具有较高的压力灵敏度(2.2 V kPa −1 )和高温灵敏度(6.4 V K −1 )。研究表明，P(VDF-TrFE)/PEDOT:PSS复合膜可用于检测身体运动和生理信号。这项工作研究了铁电共聚物中穿透电极的潜在机制，并表明它在健康监测和人机交互方面有很好的应用前景。
以上工作得到了广东省自然科学基金、国家自然科学基金、深圳市杰出青年基金、深圳市科技计划项目、腾讯基金会“科学探索奖”等的支持。

原文链接

https://www.nature.com/articles/s41467-023-39476-4

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