納米能源所壓電光電子學(xué)應(yīng)力成像芯片系統(tǒng)

美國(guó)佐治亞理工學(xué)院(GeorgiaInstituteofTechnology)和中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組最近利用垂直生長(zhǎng)的納米壓電材料陣列研制出大規(guī)模發(fā)光二極管陣列，并且利用壓電光電子學(xué)效應(yīng)首次實(shí)現(xiàn)利用外界應(yīng)力/應(yīng)變改變納米壓電發(fā)光二極管發(fā)光強(qiáng)度的過(guò)程;首次研制出主動(dòng)自適應(yīng)式的、高分辨率的、以光電信號(hào)為媒介、并行處理的壓力傳感成像芯片系統(tǒng)。相關(guān)論文于8月11日在線發(fā)表在《自然-光子學(xué)》雜志上。

用電信號(hào)或光電信號(hào)成功實(shí)現(xiàn)對(duì)高分辨率觸覺(jué)(小于50微米，人的皮膚感知分辨率)的模擬將對(duì)新型機(jī)器人、人機(jī)互動(dòng)界面等領(lǐng)域有著重大的意義。相比于其它感知器官(如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)等)的研究，觸覺(jué)的仿生研究目前還很少?，F(xiàn)有的壓力傳感技術(shù)多是基于納米材料的平面型場(chǎng)效應(yīng)晶體管效應(yīng)，如自組裝的納米線、有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)管等。但是此類研究的分辨率多為毫米或厘米量級(jí)，而且相關(guān)器件的像素大小、像素點(diǎn)少，測(cè)量方式受到非常復(fù)雜的交叉電極(crossbarelectrodes)的限制;數(shù)據(jù)采集也是需要通過(guò)硬件開(kāi)關(guān)和軟件開(kāi)關(guān)逐個(gè)對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行“串行”掃描，耗時(shí)長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)大面積、高分辨的應(yīng)力分布快速成像。

近來(lái)，王中林教授開(kāi)創(chuàng)的壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)受到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)效應(yīng)是王中林教授于2007和2010年首次在國(guó)際上提出的兩個(gè)全新的研究領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于微機(jī)械傳感、器件驅(qū)動(dòng)和能源領(lǐng)域。對(duì)于氧化鋅、氮化鎵、硫化鎘等壓電半導(dǎo)體材料，壓電電子學(xué)效應(yīng)是指利用壓電電場(chǎng)來(lái)調(diào)制或控制界面或結(jié)區(qū)的載流子輸運(yùn)過(guò)程的一個(gè)物理效應(yīng);壓電光電子學(xué)效應(yīng)是指利用壓電電場(chǎng)來(lái)調(diào)制載流子在光電過(guò)程中的分離或結(jié)合的一個(gè)物理效應(yīng);利用壓電(光)電子學(xué)效應(yīng)構(gòu)建的器件就是壓電(光)電子學(xué)器件。自2010年起，楊青博士等在王中林教授的領(lǐng)導(dǎo)下系統(tǒng)深入地研究了壓電光電子效應(yīng)對(duì)無(wú)機(jī)-無(wú)機(jī)發(fā)光二極管體系(n-ZnOwire/p-GaN)以及無(wú)機(jī)-有機(jī)復(fù)合發(fā)光二極管體系(n-ZnO/PEDOT:PSS)的調(diào)制作用，發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓電二極管受外界應(yīng)力時(shí)，壓電光電子學(xué)效應(yīng)可以使其發(fā)光強(qiáng)度增加數(shù)倍，相關(guān)論文發(fā)表在2012及2013年的《納米快報(bào)》上。

基于壓電光電子學(xué)這一效應(yīng)，潘曹峰博士領(lǐng)導(dǎo)董林博士、朱光博士等將自上而下的微納加工技術(shù)和自下而上的納米材料合成很好地結(jié)合起來(lái)，制備了基于垂直生長(zhǎng)的單根氧化鋅納米線陣列的三維大規(guī)模壓電發(fā)光二極管陣列器件;每一個(gè)氧化鋅納米線就是一個(gè)發(fā)光二極管，同時(shí)也是一個(gè)像素點(diǎn)。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(dá)到6350dpi，器件分辨率達(dá)到2.7微米，器件尺寸達(dá)到1.5cm*2cm(受顯微鏡CCD視場(chǎng)限制，論文中報(bào)道的樣品區(qū)域包含超過(guò)20000個(gè)像素點(diǎn))。和現(xiàn)有的同類研究相比，在分辨率上提高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，像素?cái)?shù)量上提高了幾百倍，在像素密度上提高了4-5個(gè)數(shù)量級(jí)!

當(dāng)器件表面受到外力作用時(shí)，受壓的納米線所在的發(fā)光二極管光強(qiáng)比沒(méi)有受壓的納米線所在的光強(qiáng)有顯著增強(qiáng)，而且增強(qiáng)程度正比于器件局域所受的外加應(yīng)力。通過(guò)對(duì)整個(gè)器件的發(fā)光二極管陣列的發(fā)光強(qiáng)度變化的監(jiān)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(chuàng)新性地采用光信號(hào)(而非傳統(tǒng)的電信號(hào))來(lái)作為表征信號(hào)，CCD相機(jī)采得的發(fā)光二極管陣列圖像為載體，這就使得該器件在光傳輸、數(shù)字化處理、光通信等方面有很好的應(yīng)用前景。而且由于所有的發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度是利用CCD“并行”記錄的，所以相比于傳統(tǒng)的“串行”數(shù)據(jù)記錄，該器件具有非?？斓膽?yīng)力響應(yīng)及記錄速度。

該研究的重大科學(xué)創(chuàng)新是首次實(shí)現(xiàn)了大規(guī)?；趩胃{米線陣列的納米器件的制造、表征和系統(tǒng)集成;首次奠定了壓電光電子學(xué)效應(yīng)及其在大規(guī)模傳感成像中的應(yīng)用;首次在高于人皮膚分辨率的情況下實(shí)現(xiàn)了大尺度應(yīng)力應(yīng)變成像及記錄。該研究的應(yīng)用范圍涵蓋生物醫(yī)療、人工智能、人機(jī)交互、能源和通信等領(lǐng)域;通過(guò)封裝和填充材料還可起到增強(qiáng)器件機(jī)械強(qiáng)度和延長(zhǎng)器件工作壽命的作用。此技術(shù)在未來(lái)可被進(jìn)一步發(fā)展成為多維度壓力傳感、智能自適應(yīng)觸摸成像和自驅(qū)動(dòng)傳感等，以實(shí)現(xiàn)壓電電子學(xué)器件在傳感、自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和人機(jī)互動(dòng)等方面的廣泛應(yīng)用。

論文通訊作者王中林院士是中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所首席科學(xué)家，論文第一作者潘曹峰博士現(xiàn)為該所研究員，該所是由中國(guó)科學(xué)院和北京市聯(lián)合共建的科研機(jī)構(gòu)。

圖一：高分辨率光電并行應(yīng)力傳感芯片設(shè)計(jì)原理(A)三維壓電發(fā)光二極管陣列受應(yīng)力前(B)三維壓電發(fā)光二極管陣列受應(yīng)力后，相應(yīng)受應(yīng)力的納米線中產(chǎn)生壓電電勢(shì)(圖中彩色納米線)對(duì)應(yīng)的LED發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)。

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