液態金屬技術:合成更好的壓電材料!

2020-12-05 環球創新智慧

導讀

據澳大利亞研究理事會未來低能耗電子技術卓越中心（FLEET）官網近日報導，澳大利亞皇家墨爾本理工大學（RMIT）與新南威爾斯大學（UNSW）的一項合作，將液態金屬合成物應用到壓電材料上，推動了未來從身體運動獲取能量的柔性可穿戴電子器件和生物傳感器的發展。

背景

壓電效應，是材料中一種機械能與電能互換的現象，此現象最早是1880年由皮埃爾·居裡（PierreCurie）和雅克·居裡（JacquesCurie）兄弟發現。

（圖片來源：維基百科）

壓電效應是指對壓電材料施加壓力，使其產生電位差（正壓電效應）；反之施加電壓，則產生機械應力（逆壓電效應）。通過壓電材料，我們可以利用機械形變產生電場，也可以利用電場產生機械形變，它為機械能與電能之間相互轉化提供了一種途徑。

「低頻機械能採集」可以為下一代智慧型手機和平板電腦提供將近40%的能量需求。（圖片來源：Wang Lab/賓夕法尼亞州立大學）

壓電材料一般包括骨頭、蛋白質、DNA、陶瓷、塑料、織物等。其應用範圍非常廣闊，例如行動電話的諧振器與振動器、深海聲納、超聲波成像等。壓電效應最典型的應用就是發電，例如採集微小的機械運動能量轉化為電能，為可穿戴移動電子設備或健康監測傳感器供電。

模仿人類耳蝸的柔性壓電式聲學傳感器（圖片來源：韓國科學技術院）

創新

近日，澳大利亞皇家墨爾本理工大學（RMIT）與新南威爾斯大學（UNSW）合作，將液態金屬合成物應用到壓電材料上，推動未來從身體運動獲取能量的柔性可穿戴電子器件以及生物傳感器的發展。

（圖片來源：FLEET）

技術

諸如原子級薄度的硫化亞錫（SnS）之類的材料預計會展現出強大的壓電特性，將機械力或者運動轉化為電能。這一特性以及固有的柔性，使這些材料很有可能成為開發柔性納米發電機的候選材料，這些柔性納米發電機可用於可穿戴電子器件或者內部的自供電生物傳感器。

實用的可穿戴設備中的輸出電壓：雙電極裝置拉伸彎曲和鬆弛器件的電壓輸出。（圖片來源：FLEET）

然而，到目前為止，這種潛力一直在合成大型、高度結晶的硫化亞錫（以及其他第四族單硫化物）單層的過程中受到限制，因為強烈的層間耦合會造成困難。這項新研究通過採用一項在皇家墨爾本理工大學開發的新的液態金屬技術來合成材料，解決了這個問題。

隨後的測量結果證實，採用這個新方法合成的硫化亞錫表現出卓越的電子與壓電特性。由此產生的穩定、柔性單層硫化亞錫可以集成到一系列高效的能量採集器件中。

這項工作是兩年半前開始的，皇家墨爾本理工學院和新南威爾斯大學之間強有力的合作使成果得以實現。論文第一作者 Hareem Khan 與教授Yongxiang Li 一起展現出不屈不撓的精神，克服了許多技術挑戰，從而證明了這一概念的可行性。

前所未有的合成技術涉及硫化亞錫（SnS）的範德華剝離，當錫融化時，暴露在周圍的硫化氫（H2S）氣體中的錫，會在表面上形成 SnS。H2S 在界面上分解，並對熔體表面進行硫化處理以形成 SnS。

合成過程：原子薄度的硫化錫層施加到柔性納米發電機換能器上。（圖片來源：FLEET）

這項技術同樣適用於其他單層第四族單硫化物，它們有望表現出同樣強大的壓電性能。這種基於液態金屬的方法使我們能以最小的晶界提取出均勻、大規模的SnS單層。

掃描電子顯微鏡（TEM）圖像：原子級薄度的（單層）硫化錫納米片（比例尺：500納米）（圖片來源：FLEET）

測量證實了該材料具有高載流子遷移率和壓電係數。對於一個特別施加的應變來說，這將轉化為特殊的峰值電壓和負載功率，明顯高於任何以前報導的二維納米發電機。

雙電極裝置（左，比例尺1毫米），以及採用敲擊模式的輸出電壓（右，比例尺50微米）。（圖片來源：FLEET）

器件的高耐久性和柔性也得到了證明。這證明了合成的非常穩定的單層SnS可以商業化地實現到發電的納米器件中。它們也可以用於採集人體機械運動的換能器，符合當前智能、便攜和柔性電子器件的技術趨勢。

這項成果是向基於壓電的柔性可穿戴能量收集裝置邁出的一步。它還提出了一種前所未有的大(晶圓)規模的硫化亞錫單層合成技術。

關鍵詞

壓電、可穿戴、生物傳感器、柔性電子

參考資料

【1】Hareem Khan, Nasir Mahmood, Ali Zavabeti, Aaron Elbourne, Md. Ataur Rahman, Bao Yue Zhang, Vaishnavi Krishnamurthi, Paul Atkin, Mohammad B. Ghasemian, Jiong Yang, Guolin Zheng, Anil R. Ravindran, Sumeet Walia, Lan Wang, Salvy P. Russo, Torben Daeneke, Yongxiang Li, Kourosh Kalantar-Zadeh. Liquid metal-based synthesis of high performance monolayer SnS piezoelectric nanogenerators. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-17296-0

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