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，人們在壓力傳感器領(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，仍然是壓力傳感器采用的主要檢測原理。

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)速度相對較慢，這限制了其在快速壓力變化檢測中的應(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方法，尤其是在非中心對稱半導(dǎo)體中。當(dāng)對壓電材料施加壓力時，會產(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。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，瞬時光照射也會誘發(fā)熱釋電勢，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，即使非中心對稱材料作為附加層或非光敏層存在，仍能實現(xiàn)出色的偏振調(diào)制。這擴(kuò)大了它們在各種結(jié)構(gòu)壓力傳感器中的適用性。然而，目前對整合壓電、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，以充分挖掘它們在壓力傳感應(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實驗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)對異質(zhì)結(jié)施加垂直壓力時，氧化鋅納米線中由壓力引起的壓電勢會改變能帶結(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，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