近年來，基于壓電納米發(fā)電機（PENG）的柔性可穿戴電子器件在能量收集、自驅(qū)動生物傳感領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。目前，提高PENG的壓電性能和靈敏度是推進(jìn)其在物聯(lián)網(wǎng)和人工智能中應(yīng)用最迫切需要解決的問題。要獲得兼具柔性、高壓電性、高性能的TENG是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)之一。將具有高壓電性的無機壓電材料填充到具有柔性的有機壓電材料中得到有機-無機復(fù)合結(jié)構(gòu)，是解決這一難題的方法。然而，無機填料和有機介質(zhì)間巨大的模量差距和弱界面融合是限制其器件性能進(jìn)一步提升的主要原因。如果解決這一問題，構(gòu)建性能優(yōu)異的柔性壓電薄膜成為提高PENG壓電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。
來自中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所李琳琳研究員與王中林院士團(tuán)隊，將高長徑比的一維鈦酸鋇納米線（BTNW）作為壓力響應(yīng)單元引入柔性聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P（VDF-TrFE））靜電紡絲纖維薄膜中，形成同軸核殼結(jié)構(gòu)納米纖維。為了增強有機-無機兩相界面相互耦合作用以提高納米纖維的壓電轉(zhuǎn)換能力和力學(xué)性能，在BTNW表面均勻涂覆聚多巴胺（PDA）納米層。實驗和模擬分析結(jié)果證明，PDA層能夠通過強化一維納米線在有機介質(zhì)中的均勻分散和應(yīng)力傳導(dǎo)過程，導(dǎo)致壓電輸出性能和靈敏度的增加。由此獲得的可穿戴PENG傳感器的輸出電壓和電流可達(dá)18.2 V和1.8 μA。響應(yīng)時間也縮短至20.4 ms。該傳感器能夠從生命活動中獲取生物力學(xué)能量，檢測人體各個部位的運動，手指識別和聲音辨別，在個人健康管理、遠(yuǎn)程人機交互等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
圖4：壓電復(fù)合薄膜的傳感性能。（a-e）用于人體各項關(guān)節(jié)在不同頻率和角度下運動的自供電多模態(tài)傳感，（f-g）手指識別和（h-j）語音辨認(rèn)。
近日，該研究成果以“Flexible and highly piezoelectric nanofibers with organic-inorganic coaxial structure for self-powered physiological multimodal sensing”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Chemical Engineering Journal》上。文章的第一作者是中科院北京納米能源所的博士生萬钘怡，通訊作者為李琳琳研究員和王中林院士。
論文鏈接： https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722045569
