铁碳微电解材料（合成更好的压电材料）

导读

据澳大利亚研究理事会未来低能耗电子技术卓越中心（FLEET）官网近日报道，澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）与新南威尔士大学（UNSW）的一项合作，将液态金属合成物应用到压电材料上，推动了未来从身体运动获取能量的柔性可穿戴电子器件和生物传感器的发展。

背景

压电效应，是材料中一种机械能与电能互换的现象，此现象最早是1880年由皮埃尔·居里（PierreCurie）和雅克·居里（JacquesCurie）兄弟发现。

（图片来源：维基百科）

压电效应是指对压电材料施加压力，使其产生电位差（正压电效应）；反之施加电压，则产生机械应力（逆压电效应）。通过压电材料，我们可以利用机械形变产生电场，也可以利用电场产生机械形变，它为机械能与电能之间相互转化提供了一种途径。

“低频机械能采集”可以为下一代智能手机提供将近40%的能量。（图片来源：Wang Lab/宾夕法尼亚州立大学）

压电材料一般包括骨头、蛋白质、DNA、陶瓷、塑料、织物等。其应用范围非常广阔，例如移动电话的谐振器与振动器、深海声纳、超声波成像等。压电效应最典型的应用就是发电，例如采集微小的机械运动能量转化为电能，为可穿戴移动电子设备或健康监测传感器供电。

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模仿人类耳蜗的柔性压电式声学传感器（图片来源：韩国科学技术院）

创新

近日，澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）与新南威尔士大学（UNSW）合作，将液态金属合成物应用到压电材料上，推动未来从身体运动获取能量的柔性可穿戴电子器件以及生物传感器的发展。

（图片来源：FLEET）

技术

诸如原子级薄度的硫化亚锡（SnS）之类的材料预计会展现出强大的压电特性，将机械力或者运动转化为电能。这一特性以及固有的柔性，使这些材料很有可能成为开发柔性纳米发电机的候选材料，这些柔性纳米发电机可用于可穿戴电子器件或者内部的自供电生物传感器。

实用的可穿戴设备中的输出电压：双电极装置拉伸弯曲和松弛器件的电压输出。（图片来源：FLEET）

然而，到目前为止，这种潜力一直在合成大型、高度结晶的硫化亚锡（以及其他第四族单硫化物）单层的过程中受到限制，因为强烈的层间耦合会造成困难。这项新研究通过采用一项在皇家墨尔本理工大学开发的新的液态金属技术来合成材料，解决了这个问题。

随后的测量结果证实，采用这个新方法合成的硫化亚锡表现出卓越的电子与压电特性。由此产生的稳定、柔性单层硫化亚锡可以集成到一系列高效的能量采集器件中。

这项工作是两年半前开始的，皇家墨尔本理工学院和新南威尔士大学之间强有力的合作使成果得以实现。论文第一作者 Hareem Khan 与教授Yongxiang Li 一起展现出不屈不挠的精神，克服了许多技术挑战，从而证明了这一概念的可行性。

前所未有的合成技术涉及硫化亚锡（SnS）的范德华剥离，当锡融化时，暴露在周围的硫化氢（H2S）气体中的锡，会在表面上形成 SnS。H2S 在界面上分解，并对熔体表面进行硫化处理以形成 SnS。

合成过程：原子薄度的硫化锡层施加到柔性纳米发电机换能器上。（图片来源：FLEET）

这项技术同样适用于其他单层第四族单硫化物，它们有望表现出同样强大的压电性能。这种基于液态金属的方法使我们能以最小的晶界提取出均匀、大规模的SnS单层。

扫描电子显微镜（TEM）图像：原子级薄度的（单层）硫化锡纳米片（比例尺：500纳米）（图片来源：FLEET）

测量证实了该材料具有高载流子迁移率和压电系数。对于一个特别施加的应变来说，这将转化为特殊的峰值电压和负载功率，明显高于任何以前报道的二维纳米发电机。

双电极装置（左，比例尺1毫米），以及采用敲击模式的输出电压（右，比例尺50微米）。（图片来源：FLEET）

器件的高耐久性和柔性也得到了证明。这证明了合成的非常稳定的单层SnS可以商业化地实现到发电的纳米器件中。它们也可以用于采集人体机械运动的换能器，符合当前智能、便携和柔性电子器件的技术趋势。

这项成果是向基于压电的柔性可穿戴能量收集装置迈出的一步。它还提出了一种前所未有的大(晶圆)规模的硫化亚锡单层合成技术。

关键词

压电、可穿戴、生物传感器、柔性电子

参考资料

【1】Hareem Khan, Nasir Mahmood, Ali Zavabeti, Aaron Elbourne, Md. Ataur Rahman, Bao Yue Zhang, Vaishnavi Krishnamurthi, Paul Atkin, Mohammad B. Ghasemian, Jiong Yang, Guolin Zheng, Anil R. Ravindran, Sumeet Walia, Lan Wang, Salvy P. Russo, Torben Daeneke, Yongxiang Li, Kourosh Kalantar-Zadeh. Liquid metal-based synthesis of high performance monolayer SnS piezoelectric nanogenerators. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-17296-0

【2】http://www.fleet.org.au/blog/liquid-metal-synthesis-for-better-piezoelectrics-atomically-thin-tin-monosulfide/