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
压力检测在微机电系统和智能可穿戴传感器领域具有重要意义，已广泛应用于工业、军事、科学研究和日常生活中。到目前为止，人们在压力传感器领域的探索、开发和商业化方面取得了显著的成就。研究表明，压力传感器的主要检测原理仍然是压力传感器的主要检测原理，具有线性范围广、集成能力强、耐久性可靠等优点。
然而，由于电阻率和载流子迁移率，压阻响应的灵敏度受传感材料固有特性的限制。人们提出了优化晶体取向、掺杂杂质、使用特殊材料等各种策略，以提高灵敏度。虽然取得了一些进展，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，响应速度相对较慢，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和更快的响应速度。
特别是在非中心对称半导体中，利用材料的压电特性已成为一种非常有前途的压力检测方法。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，操纵系统中电荷载流子的传输。这将导致输出电流或电压的变化，从而确定压力信号。此外，引入光照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。压电光电效应虽然在不同的系统中被观察到，但在压力传感器中还没有得到充分利用。此外，瞬时光照也会诱发热释电势，从而进一步调节光电过程。将热释电效应与压电效应相结合，有望显著提高压力传感的灵敏度。
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，它们仍然可以实现良好的偏振调节。这扩大了它们在各种结构压力传感器中的适用性。然而，对集成压电、光刺激和热释放效应的新型压力传感器的研究仍然非常有限。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，以充分发挥其在压力传感应用中的潜力。
根据麦姆斯的咨询，河北大学物理科学与技术学院和河北光电信息与材料重点实验室的研究人员提出了一种新的传感机制（CIGS）单片多层异质结用于检测压力。这种传感机制结合了过剩载流子的光刺激、载流子运输改性的压电性以及在不均匀光照下的横向光电效应的优化。（LPE）中光电过程的热释电性。通过使用产生表面电荷载流子梯度的特殊照明，可以诱发横向光压（LPV），因此，传感器的自供电特性得到了展示。
为了控制LPE的性能，采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。氧化锌纳米线中压力引起的压电势在对异质结施加垂直压力时，会改变能带结构，增强光生电荷载流子的传输，增加LPV的输出。LPV的增强取决于激光位置、功率和波长，以及0~2.0 MPa的外部压力呈现出极好的线性关系。这表明其线性响应范围广，压力灵敏度稳定。此外，在脉冲激光的照射下，由瞬态温度变化引起的热释电势与热释电光电子效应引起的载流子梯度耦合，最终实现了64.25 mV最佳压力灵敏度/MPa和7.8/8.9 μs的惊人快速响应。本研究提出了一种基于压电-热释电光电子效应的超快、高灵敏度和自供电压力传感器的新方法。
研究成果已经“Ultrafast, self-powered monolithic pressure sensing technology induced by piezo-pyrophototronics“以Nano为题发表 Energy期刊。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109480
查看全文
作者最近更新
-
如何选择适合工业应用的压力传感器？科技百师通
2024-12-19
-
纳芯微多名股东拟合计减持不超过6%股份科技百师通2024-07-10
-
中国科协发布2024十大产业技术问题：高速大容量光传输、自主可控GPU芯片等在列科技百师通2024-07-03
评论0条评论