基于压电-热释电光电子效应的超快、自供电单片压力传感器研究

压力检测在微机电系统和智能可穿戴传感领域具有重要意义，已经在工业、军事、科学研究和日常生活中获得广泛应用。迄今，人们在压力传感器领域的探索、开发和商业化方面已经取得了瞩目的成果。研究表明，由于压阻效应具有线性范围宽、集成能力强、耐用可靠等优点，仍然是压力传感器采用的主要检测原理。

然而，压阻响应的灵敏度受到传感材料固有特性的限制，这取决于电阻率和载流子迁移率。为了提高灵敏度，人们提出了各种策略，如优化晶体取向、掺杂杂质以及使用特殊材料等。尽管取得了一些进步，但基于压阻特性的传感器通常涉及复杂的制造工艺，需要外部电路和电压源，而且响应速度相对较慢，这限制了其在快速压力变化检测中的应用。因此，迫切需要开发一种基于替代物理机制的创新型压力传感器，以提供简单可靠的制备方法、基于能量收集的自供电能力，以及更快的响应速度。

利用材料的压电特性已成为一种很有前途的压力检测方法，尤其是在非中心对称半导体中。当对压电材料施加压力时，会产生极化电荷，从而改变能带结构并操纵系统中电荷载流子的传输。这将导致输出电流或电压发生变化，从而可用于确定压力信号。此外，引入光照射可以优化电荷载流子的产生、分离、传输和重组过程，从而通过压电光电效应提高传感性能。虽然在不同的系统中都观察到了压电光电效应，但在压力传感器中尚未得到充分利用。此外，瞬时光照射也会诱发热释电势，从而进一步调节光电过程。通过将热释电效应与压电效应相结合，压力传感的灵敏度有望得到显著提高。

最近的研究表明，即使非中心对称材料作为附加层或非光敏层存在，仍能实现出色的偏振调制。这扩大了它们在各种结构压力传感器中的适用性。然而，目前对整合压电、光激发和热释电效应的新型压力传感器的研究还很有限。因此，迫切需要进一步探索和开发利用这些组合效应的压力传感器，以充分挖掘它们在压力传感应用中的潜力。

据麦姆斯咨询介绍，河北大学物理科学与技术学院、河北省光电信息与材料重点实验室的研究人员提出了一种新型传感机制，利用由铜铟镓硒（CIGS）组成的单片多层异质结来检测压力。这种传感机制结合了过剩载流子的光激发、载流子输运改性的压电性以及优化非均匀光照下横向光电效应（LPE）中光电过程的热释电性。通过利用产生表面电荷载流子梯度的特殊照明，可诱发横向光电压（LPV），从而展示了传感器的自供电特性。

为了控制LPE性能，利用压电光电效应将具有c轴取向的均匀氧化锌纳米线阵列集成到异质结中。当对异质结施加垂直压力时，氧化锌纳米线中由压力引起的压电势会改变能带结构，增强光生电荷载流子的传输，提高输出LPV。LPV的增强取决于激光位置、功率和波长，与0~2.0 MPa外部压力呈现了极好的线性关系。这表明了其宽广的线性响应范围和稳定的压力灵敏度。此外，瞬态温度变化诱导的热释电势与脉冲激光照射下通过热释电光电子效应促进的载流子梯度相耦合，最终实现了64.25 mV/MPa的最佳压力灵敏度和7.8/8.9 μs的惊人快速响应。这项研究提出了一种利用单片结构开发基于压电-热释电光电子效应的超快、高灵敏度、自供电压力传感器的新方法。

该研究成果已经以“Ultrafast, self-powered monolithic pressure sensing technology induced by piezo-pyrophototronics”为题发表于Nano Energy期刊。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109480

审核编辑：刘清