王中林、翟俊宜Nano Energy: 用于面内应变映射的柔性Li掺杂ZnO压电晶体管阵列

【引言】

薄膜是面内应变传感的理想选择，也与现代电子工业技术兼容。本研究通过射频溅射方法实现了基于ZnO薄膜的面内变形场传感器阵列，并将元素Li掺杂到ZnO中，以提高面内应变的灵敏度。在设备的每个传感单元中验证压电效应。掺杂的ZnO的较低导电性不仅有利于降低极化电荷的屏蔽效应，而且还有助于防止传感单元之间的串扰。这样的优点使得总感测单元可以共享具有高灵敏度的一个薄膜，这可以简化设备的结构和制造过程。在每个传感单元上研究了压电势对载流子传输的调谐效应。本研究还评估了均匀和非均匀面内应变场映射的能力。 结果表明，Li掺杂薄膜压电装置在实际应用中具有良好的应用前景。

【图文摘要】

【成果简介】

近日，中科院北京纳米能源与系统研究所的Ming Song（第一作者）在翟俊宜和王中林教授（通讯作者）的指导下，在国际顶级期刊Nano Energy上发表了文章：Flexible Li-doped ZnO Piezotronic Transistor Array for In-plane Strain Mapping。在本研究中，首次展示了基于薄膜的压电式晶体管阵列，对传感单元的压电效应进行了研究和定性表征。单位的应变灵敏度（应变系数）提高至199，这是商用箔规的灵敏度的约100倍。在每个传感单元上进行校准后，通过传感器阵列成功地测量并映射了应用于器件上的应变分布，这显示了基于薄膜的压电式晶体管阵列在高空间分辨率，高灵敏度场的变形传感应用中的巨大潜力。

【夺目亮点】

1. 由于屏蔽效应的降低，Li掺杂的ZnO显示出比未掺杂的ZnO更好的应变调谐的I-V特性。
2. 基于Li掺杂的ZnO的面内应变传感器比商用箔片的灵敏度高100倍。
3. 利用Li掺杂的ZnO薄膜制备了一种高空间分辨率的面内应变传感器阵列。

 【图文导读】

图1.薄膜压电晶体管阵列的电镜与XRD表征。

（a）ZnO连续薄膜压电晶体管阵列的示意图;（b）传感器阵列的微结构;（c）RF溅射ZnO膜的表面和柱结构的顶视图和截面图;（d）显示ZnO生长的XRD光谱沿c轴。

图2. 薄膜压电晶体管阵列的电学与力学性能。（a）当ZnO/Au界面为肖特基接触时，各种应变下Li掺杂薄膜的I-V特性，插入是界面为欧姆接触时的I-V特性;（b）在单个Au/ZnO/=Au单元的应变下的带结构变化。这里使用的压电常数是“d₃₁”;（c）＆（d）掺杂和未掺杂薄膜在肖特基界面上的电流变化，在10V的固定反向偏压下应变，（c）的插图是作为压力函数的电流的归一化对数图。

图3. 单个传感单元周围电流密度分布的数值模拟。超高电流浓度说明了相邻单元的量可以忽略的串扰。（a）有限元模型;（c）潜在分配;（d）电流密度分布。

图4. 薄膜压电晶体管阵列的电学与力学性能。（a）在均匀拉伸载荷期间40×40单元的当前演变：应变映射，单元的电流变化由不同颜色描述。（b）卸载时总共1600个单位的当前统计数据。

图5. 非均匀变形映射。（a）采用商业DIC方法测试;（b）通过薄膜压电式晶体管阵列测试

【总结】

总之，基于薄膜的柔性压电传感器阵列被证明用于面内应变分布映射。将元素Li掺杂到ZnO薄膜中以增强薄膜的压电效应。总共40×40传感器布置在12×12mm²的区域内，这是目前面内应变传感装置的最高空间分辨率。科学家们研究了单个单元的压电效应，证明了Li元素的掺杂可以显着提高应变灵敏度。传感单元阵列在均匀和非均匀变形映射上表现出非常好的性能。压电效应将微小尺度与高灵敏度结合在一个器件中，这使得高分辨率应变成像成为可能。此外，薄膜结构与微电子技术相比在纳米线方面更加技术兼容。薄膜阵列感测程序可以通过一个连续的薄膜完成，该薄膜绕过感测层的光刻过程，因此感测层可以沉积得更厚，以便从平面内到外面的方向传递更多的变形，以进一步增强压电元件效果和敏感度。这些独特的优势可以大大扩展压电设备的应用

文章链接：Flexible Li-doped ZnO Piezotronic Transistor Array for In-plane Strain Mapping. (Nano Energy, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.11.013)

 本文由材料人编辑部金属材料学术组艾超供稿，材料牛编辑整理。