近日，西电材料院和兰州大学等单位在压电电子学领域合作取得新的进展，成果以“Dual-modalpiezotronictransistor for highly sensitive vertical force sensing and lateral strain sensing”为题在国际知名学术期刊《自然?通讯》(Nature Communications)上发表。西电材料院葛瑞博士为论文第一作者，兰州大学秦勇教授、刘书海副教授为论文的通讯作者，西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院为论文第一单位。
研究团队提出了一种创新的结构设计，将压电微米线与具有微突起结构的柔性聚合物相结合，设计了双模式压电电子学晶体管（dual-modalpiezotronictransistor，简称DPT），使其同时具有两种工作模式，可分别用于高灵敏度的竖直力传感和横向应变传感。这是一个集成竖直力传感和横向应变传感两种结构优势的新设计方案，对开发压电电子学传感器的新原理和潜在应用具有重要意义。
双模式压电电子学晶体管（DPT）的器件设计与工作原理
用于垂直力传感的双模式压电电子学晶体管(DPT)中电学特性的压电电子学调控
研究团队通过设计一种吊桥结构的DPT，将横向结构的压电电子学器件同时应用于竖直力传感和横向应变传感。根据受力分析，极小的竖直力能够在微米线长度方向产生较大的拉伸应变，有效避免了屈曲效应对压电电子学效应的不利影响。此外，微突起结构的引入使压缩应变集中于微米线中心促使其产生较大的拉伸应变；采用柔性PDMS封装也可以保护器件，避免因局部应力过大而产生结构性损坏。因此，在原理上DPT具有高灵敏竖直力传感的优势。实验表明，对于竖直力传感模式，DPT的灵敏度可达以往报道的压电电子学晶体管的16.5倍。另一方面，由于DPT本身具有横向结构，可以应用于横向应变传感。DPT可以响应较大的压缩应变，电流开关比达386.57，应变灵敏度因子可达8988.6，验证了该压电电子学器件在双模式及灵敏度方面的领先水平。
研究人员在该工作中提出了一种双模式压电电子学晶体管，设计了具有竖直力传感和横向应变传感两种工作模式的力学传感器，同时实现了压电电子学器件的功能扩展和性能提升，为压电电子学器件的发展和应用提供了更多可能，也为先进压电半导材料的应用性设计提供了新的思路。本文得到国家自然科学基金和科技部国家重点研发计划等项目资助。
论文信息：
Ge, R., Yu, Q., Zhou, F., Liu, S. & Qin, Y. Dual-modalpiezotronictransistor for highly sensitive vertical force sensing and lateral strain sensing.Nat.Commun.14, 6315 (2023).
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-41983-3