壓電光電子學應力成像芯片系統研制成功

　　美國佐治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)和中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士領導的研究小組最近利用垂直生長的納米壓電材料陣列研制出大規模發光二極管陣列，并且利用壓電光電子學效應首次實現利用外界應力/應變改變納米壓電發光二極管發光強度的過程;首次研制出主動自適應式的、高分辨率的、以光電信號為媒介、并行處理的壓力傳感成像芯片系統。相關論文于8月11日在線發表在《自然-光子學》雜志上。

　　用電信號或光電信號成功實現對高分辨率觸覺(小于50微米，人的皮膚感知分辨率)的模擬將對新型機器人、人機互動界面等領域有著重大的意義。相比于其它感知器官(如視覺、聽覺、嗅覺、味覺等)的研究，觸覺的仿生研究目前還很少。現有的壓力傳感技術多是基于納米材料的平面型場效應晶體管效應，如自組裝的納米線、有機場效應管等。但是此類研究的分辨率多為毫米或厘米量級，而且相關器件的像素大小、像素點少，測量方式受到非常復雜的交叉電極 (cross bar electrodes)的限制;數據采集也是需要通過硬件開關和軟件開關逐個對每個像素點進行“串行”掃描，耗時長，難以實現大面積、高分辨的應力分布快速成像。

　　近來，王中林教授開創的壓電電子學和壓電光電子學受到了學術界的廣泛關注。壓電電子學和壓電光電子學效應是王中林教授于2007和2010年首次在國際上提出的兩個全新的研究領域，廣泛應用于微機械傳感、器件驅動和能源領域。對于氧化鋅、氮化鎵、硫化鎘等壓電半導體材料，壓電電子學效應是指利用壓電電場來調制或控制界面或結區的載流子輸運過程的一個物理效應;壓電光電子學效應是指利用壓電電場來調制載流子在光電過程中的分離或結合的一個物理效應;利用壓電(光)電子學效應構建的器件就是壓電(光)電子學器件。自2010年起，楊青博士等在王中林教授的領導下系統深入地研究了壓電光電子效應對無機-無機發光二極管體系(n-ZnO wire/p-GaN)以及無機-有機復合發光二極管體系(n-ZnO/PEDOT:PSS)的調制作用，發現當壓電二極管受外界應力時，壓電光電子學效應可以使其發光強度增加數倍，相關論文發表在2012及2013年的《納米快報》上。

　　基于壓電光電子學這一效應，潘曹峰博士領導董林博士、朱光博士等將自上而下的微納加工技術和自下而上的納米材料合成很好地結合起來，制備了基于垂直生長的單根氧化鋅納米線陣列的三維大規模壓電發光二極管陣列器件;每一個氧化鋅納米線就是一個發光二極管，同時也是一個像素點。該陣列中氧化鋅納米線的直徑在1微米左右、線中心間距4微米，像素密度達到6350dpi，器件分辨率達到2.7微米，器件尺寸達到1.5cm*2cm(受顯微鏡CCD視場限制，論文中報道的樣品區域包含超過20000個像素點)。和現有的同類研究相比，在分辨率上提高2-3個數量級，像素數量上提高了幾百倍，在像素密度上提高了4-5個數量級!

　　當器件表面受到外力作用時，受壓的納米線所在的發光二極管光強比沒有受壓的納米線所在的光強有顯著增強，而且增強程度正比于器件局域所受的外加應力。通過對整個器件的發光二極管陣列的發光強度變化的監控，就可以很容易得知器件表面的受力情況。由于該研究組創新性地采用光信號(而非傳統的電信號) 來作為表征信號，CCD相機采得的發光二極管陣列圖像為載體，這就使得該器件在光傳輸、數字化處理、光通信等方面有很好的應用前景。而且由于所有的發光二極管的發光強度是利用CCD “并行”記錄的，所以相比于傳統的“串行”數據記錄，該器件具有非常快的應力響應及記錄速度。

　　該研究的重大科學創新是首次實現了大規模基于單根納米線陣列的納米器件的制造、表征和系統集成;首次奠定了壓電光電子學效應及其在大規模傳感成像中的應用;首次在高于人皮膚分辨率的情況下實現了大尺度應力應變成像及記錄。該研究的應用范圍涵蓋生物醫療、人工智能、人機交互、能源和通信等領域;通過封裝和填充材料還可起到增強器件機械強度和延長器件工作壽命的作用。此技術在未來可被進一步發展成為多維度壓力傳感、智能自適應觸摸成像和自驅動傳感等，以實現壓電電子學器件在傳感、自驅動系統和人機互動等方面的廣泛應用。

　　論文通訊作者王中林院士是中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家，論文第一作者潘曹峰博士現為該所研究員，該所是由中國科學院和北京市聯合共建的科研機構。

圖一：高分辨率光電并行應力傳感芯片設計原理(A)三維壓電發光二極管陣列受應力前 (B)三維壓電發光二極管陣列受應力后，相應受應力的納米線中產生壓電電勢(圖中彩色納米線)對應的LED發光強度增強。

圖二：高分辨率光電并行應力傳感芯片應力成像結果，外力通過一個“PIEZO”形狀的模型施加到器件表面，我們就會得到相應的器件表面應力分布圖。(A) “piezo”形狀的模型位于器件表面。(B)未加應力前，器件發光強度圖。(C)施加應力后，器件發光強度分布圖。(D)器件表面應力分布結果。