- 四川大學張新星團隊AFM：光電雙輸出可視化機械傳感器！
- 來源：高分子科學前沿 發表于 2023/2/28
生物對外界刺激的響應往往多種多樣，比如在鞭毛藻內發生一系列連續的信號轉導事件，包括動作電位的變化、質子遷移和熒光素的釋放，使得鞭毛藻在應對膜干擾時產生顯著的藍色閃光。又或者神經元電位控制，頭足類動物的皮膚表現出可調節的顏色/模式。生物體中這些信號的激活往往只需要低至幾Pa到幾kPa的刺激，并在瞬間完成，使實時和高度敏感的機械感知成為可能。模擬生物機械感應的視覺反饋已經引起了科學界相當大的興趣，促進了智能傳感器和光學顯示器的發展。然而，模仿這種同時具備機械感應和光學反饋的傳感器仍然具有挑戰性。
近期，四川大學張新星團隊研發了一種可以實現電/光雙輸出的生物啟發機械傳感器。該傳感器具有機械發光/摩擦電分層結構，能夠實時地感知壓力和模式顯示。研究還發現界面摩擦電場對發光輸出和壓力可視化有促進作用。所開發的機械傳感器具有自功率、雙信號和實時模式的感覺行為，具有低力檢測限（0.082 N）、高靈敏度(9.69 a.u. N-1)，快速響應（35 ms），和良好的可靠性（5000個循環）。利用該機械傳感器構建了一個個性化的人機交互系統（HMI），并演示了它在智能控制中的應用。該工作以題為“Bioinspired Bimodal Mechanosensors with Real-Time, Visualized Information Display for Intelligent Control” 的文章發表于Advanced Functional Materials上。
傳感器的壓力可視化和摩擦電傳感性能
機械傳感器主要由SrAl2O4：Eu2+：Dy3+（SAOED）熒光包埋polyvinylidene-fluoride-co-hexafluoropropylene（PVDF-HFP）復合材料組成。其中，商業SAOED（粒徑范圍：1-35µm）分布到PVDF-HFP，形成摩擦電/機械發光耦合層（稱為SPH層，厚度≈100µm），而導電電極（750-800µm，導電率5.46Scm -1）夾在兩個SPH層之間，形成雙峰機械傳感器（基于摩擦電納米發電機的單電極模式S-TENG）。在摩擦期間，基于摩擦帶電和靜電感應的耦合效應，通過電極輸出電信號。同時，外力轉移到嵌入的SAOED熒光粉上，由于Eu2+發光中心的4f6 5d1→4f7的轉變，產生綠色發射）。因此，光/電信號的輸出可以同時進行。
SAOED的最大激發波長位于360 nm。發射峰在450-600nm之間為綠色發光，中心峰在≈520nm。隨后研究了熒光強度與SAOED含量之間的相關性。可以觀察到，隨著熒光粉的摻雜質量上升到25 wt.%，其強度增加了兩個數量級。通過機械磨削降低了商用SAOED的平均尺寸，以研究粒徑對發光性能的影響。發射波長的SPH薄膜與熒光粉（最大粒徑≈20µm）轉向長波長（1納米），而光致發光強度增加了11%，這可能是歸因于Eu2+發光中心暴露在熒光粉的表面積大小減少。優化后，得到的傳感器實現“1-9”數字和“SCU”、“TENG”字母的完整軌跡顯示，具有高時空分辨率，可以被肉眼實時識別。以“S”的寫跡為例，其發光強度的變化與剪切力的變化相一致。結果表明，發射量在1.42 N時達到最高強度，最低的探測力為≈0.082N，器件的機械靈敏度高達9.69 a.u. N-1。
當不同電子親和的物體在外力作用下與SPH層接觸時，其表面產生等數的正負電荷。當兩種材料分離時，就形成了一個電位差。SPH表面的負電荷驅動陽離子不斷轉移到離子凝膠中，以保持靜電平衡。同時，由于電雙層的極化，在離子凝膠與金屬線的界面上形成相同數量的電子，通過外部電路流入地面。當兩種摩擦電材料再次接觸時，整個過程發生逆轉。因此，在周期性的接觸和分離過程中，垂直力被連續地傳遞到交流電壓/電流輸出中。文章測量了機械傳感器的電輸出性能。開路電壓（VOC）和短路電流（ISC）的形狀分別為上單峰和非下雙峰。當施加的力從5N增加到41 N時，VOC的峰值從33增加到62 V，ISC從0.71提高到1.62µA。
摩擦-機械發光的協同效應及傳感器智能應用
文中發現了基于摩擦電增強機械發光現象。在接觸或摩擦作用下，PVDF-HFP表面產生的摩擦電子很容易遷移到分子周圍的SAOED晶格中，隨后被電子缺陷態（如Dy3+、氧空位（VO）陷阱和晶格扭曲-間隙空位（VC））捕獲。作為一種可能的遷移路徑，這些晶格中的自由電子會被Dy3+電子捕獲中心捕獲，從而產生二價離子（Dy2+）。然后，通過機械刺激從異常原離子中逃逸的電子通過導帶（CB）到達Eu2+，形成4f65d1態的激發態Eu2+離子。當Eu2+離子的激發電子回到基態時，光子以綠色可見光的形式發射出來。此外，電場會降低阱的深度，進而在晶格中引入更多的空穴，導致SAOED的能帶更加傾斜，電子更容易逃逸到CB中。促進了摩擦電子和空穴的復合和再釋放過程，從而實現了對發光強度的22%的增強。
傳感器應用主要為一個自供電的6×6皮膚陣列傳感器，通過給出雙信號來繪制壓力圖。當像素1-6、9、10、15、16、21、22、27、28、33和34被手指按順序按下時（字符“T”的軌跡），相關像素的出現電壓，并顯示了字母的軌跡。通過開發一個集成了機器人技術的無線信號傳輸模塊和分類指令的軟件，建立了一個智能控制系統。當手指在簡化的電子皮膚的4個象限上書寫，微型汽車根據書寫坐標執行向前、后退、左、右轉。這樣，汽車就能夠及時修改其移動軌跡，避開障礙物，說明該控制系統是有效率、靈活的。
小結：該文展示了一種具有實時和可視化信息顯示的雙信號機械傳感器。研究發現表面電荷極化和摩擦電子遷移是摩擦電-光能轉換和輸出增強的原因。該文提出了一種有效的電/光雙輸出調制方法，允許機械傳感和成像特性的精細調節。該機械傳感器具有良好的高機械靈敏度、低檢測限、實時壓力模式和良好的可靠性，非常適合用于人類生理活動監測和遠程機器人控制。這種摩擦電和機械發光的集成和調制策略將使無約束、智能、視覺的機械傳感器成為可能，促進人機協作，并加快機器人在傳感、醫學和家庭服務中的應用。
來源：高分子科學前沿
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