1 合肥工业大学光电技术研究院特种显示与成像技术安徽省技术创新中心，安徽 合肥 230009
2 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院测量理论与精密仪器安徽省重点实验室，安徽 合肥 230009
提出了一种基于柔性超材料的高灵敏度拉力传感器，该超材料传感器由刻蚀在聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜表面的多方形谐振单元的平面阵列组成。拉伸柔性PDMS薄膜会改变谐振单元的结构参数，进而使传感器的谐振频率产生变化。该超材料传感器可以同时实现应变或拉力的高灵敏度检测。同时，谐振结构中央的方形连接环起到了不对称分裂间隙的作用，激发了具有更高Q值的高阶谐振模式，实现了更高的频谱分辨率。实验结果表明，施加拉力从0增大至1.2 N时，结构尺寸拉伸率达到初始状态的1.2倍，超材料的谐振峰频率从109.23 GHz红移到99.42 GHz。该传感器可以实现8.43 GHz/N的高灵敏度拉力传感。耐久性测试表明在该样品的使用中至少可以经历100次拉伸-松弛循环。所提出的传感器具有灵敏度高、加工方便、成本低和无线测量的优点，具有潜在的应用价值。
传感器 拉力传感器 柔性 超材料 光谱 高灵敏度
1 1.安徽工业大学 材料科学与工程学院, 马鞍山 243032
2 2.中国科学院 上海硅酸盐研究所, 高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室, 上海 200050
3 3.中国科学院大学 杭州高等研究院, 化学与材料科学学院, 杭州 310024
可穿戴设备是能穿在身上, 实时获取人体或环境信息并进行传递和处理的功能设备, 在医疗健康、人工智能、运动娱乐等领域具有广阔的应用前景。随着可穿戴设备的发展, 各类柔性传感器应运而生。基于压电效应的柔性力学传感器因具有感应频率宽、响应快、线性好、自供电等优势而备受关注。然而传统的压电材料多为脆性陶瓷和晶体材料, 限制了其在柔性方面的应用。随着研究的深入, 越来越多的柔性压电材料和压电复合材料不断涌现, 给柔性可穿戴力学器件注入了新的发展活力。本文主要概括了柔性可穿戴压电器件的前沿进展, 包括压电原理、柔性压电材料的制备与性能提升方法。此外, 还详细总结了柔性可穿戴压电设备的主要应用方向, 包括医疗健康和人机交互, 以及遇到的挑战与机遇。
力学传感器 可穿戴器件 压电效应 制备方法 柔性 mechanical sensor wearable device piezoelectric effect preparation method flexibility
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
柔性反射式电致变色器件在电子纸显示、伪装、智能变色表面等领域应用前景广阔，但仍存在柔性差、对比度低、稳定性不佳等问题。本工作采用电子束蒸发法在玻璃和柔性PET衬底上制备了Cr/Ag/WO3（CAW）结构无铟反射式电致变色薄膜。CAW薄膜具有高反射率和低面电阻，其可见光平均反射率高达89.1%，面电阻仅为1.2 Ω/□。在电致变色性能方面，CAW薄膜展示出快着色及褪色响应时间（分别为9.3 s和2.0 s）、高达83.0%（564 nm）的反射光学对比度、大范围的反射颜色调节（> 40 nm）和良好的电化学循环稳定性（>4 500 次）。此外，CAW薄膜具有良好的衬底兼容性，我们制备了柔性CAW薄膜并组装了图案化柔性电致变色器件，柔性薄膜在弯折2 000次后性质基本无衰减，对比度达83.2%（574 nm），器件在不同电压作用下实现了丰富的反射颜色动态调控。这些结果将为高性能柔性反射式电致变色器件构建提供简单有效的指导，在新型显示技术领域有一定应用潜力。
电致变色 WO3 无铟 柔性 反射 electrochromic WO3 indium-free flexibility reflection 红外与激光工程
2023, 52(7): 20220878
1 西湖大学工学院浙江省3D微纳加工和表征研究重点实验室，浙江 杭州 310030
2 浙江西湖高等研究院前沿技术研究所，浙江 杭州 310024
3 浙江大学脑科学与脑医学学院，浙江 杭州 310058
4 浙江大学脑与脑机融合前沿科学中心，浙江 杭州 310058
5 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
6 浙江大学信息与电子工程学院，浙江 杭州 310027
作为光遗传学的重要工具，纳米光遗传探针用于实现对生物体神经元的光刺激，能够辅助神经科学家更具特异性地探索大脑的工作机制，有望用于神经疾病的发病机理分析和治疗。研究人员针对光遗传学刺激的刺激强度、刺激范围、刺激模式、时空分辨率等要求，开发了具有不同光学功能的探针，也针对丰富探针功能如原位电生理记录、化学或生物分子递送等要求，开发了多功能的神经探针。为克服传统光电子器件刚性不可弯折、易对生物体造成损伤等弊端，柔性光学神经探针应运而生。这一类探针在植入时对生物体的损伤小，在植入后能够维持稳定的出光强度，其使用寿命得到保证。本文围绕不同类型、不同功能的光遗传探针以及光遗传探针中的柔性技术进行综述和展望。
光学神经探针 光遗传学 柔性 波导集成型探针 深脑部刺激 生物兼容材料 激光与光电子学进展
2023, 60(13): 1316001
太原理工大学 微纳系统研究中心，山西 太原 030024
采用旋涂法制备不同质量分数还原氧化石墨烯(rGO）的PVDF/rGO复合薄膜。采用层层堆叠法构建层层组装异质三明治结构(PVDF/rGO-PVDF-PVDF/rGO）的压电纳米发电机(PNG）。系统研究了rGO掺杂、异质结构设计对压电输出性能的影响。研究结果表明，在掺杂rGO质量分数为0.4%时，单层PVDF/rGO复合薄膜压电纳米发电机的开路电压达到1.76 V，短路电流达到0.18 μA。层层组装异质类三明治结构PVDF/rGO0.4-PVDF-PVDF/rGO0.4的PNG，开路电压高达7.72 V，是单层PVDF/rGO复合PNG的4.39倍；短路电流可达0.69 μA，是单层PVDF/rGO复合PNG的3.83倍，这促进了电荷的转移，提高了电荷利用率。PVDF/rGO0.4-PVDF-PVDF/rGO0.4复合层层异质结构PNG经过4 000次循环敲击测试，三层异质复合PNG压电输出稳定，有望在柔性可穿戴电子器件、人机交互及电子皮肤等领域得到广泛应用。
PVDF/rGO复合薄膜 三明治结构 柔性 压电纳米发电机 PVDF/rGO composite film sandwiched structure flexibility piezoelectric nanogenerator
二氧化硅气凝胶以其低密度、高孔隙率等特性在高温隔热领域显示出广阔的应用前景, 但其脆性和高成本的超临界干燥方式限制了其应用。本研究以乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)和乙烯基甲基二甲氧基硅烷(VMDMS)为前驱体, 通过溶胶凝胶、常压干燥制备了具有高柔性的海绵状有机硅气凝胶, 并研究了前驱体摩尔比对气凝胶微观结构和压缩回弹性能的影响, 以及气凝胶分别在高温有氧和无氧环境中的无机化转变过程。结果表明, 随着前驱体中VTMS/VMDMS比例增加, 气凝胶颗粒变小且堆积更紧密, 其压缩回弹性能也随之降低; 在800 ℃空气氛围中, 气凝胶通过侧基的氧化和主链Si-O-Si的断裂、重排转化为无机SiO2; 在800 ℃ N2氛围中, 气凝胶通过裂解反应转化为无机SiO2和游离碳的混合体, 1000~1400 ℃进一步处理后SiO2和游离碳经碳热还原反应生成SiO4、SiCO3、SiC2O2和SiC3O等无定形的Si-O-C结构和少量β-SiC纳米线; 经1200 ℃碳热还原反应生成的Si-O-C结构具有最优的耐高温氧化性能, 可为制备耐高温氧化Si-O-C气凝胶提供参考。
有机硅气凝胶 柔性 隔热 高温氧化 高温裂解 silicone aerogel flexibility heat insulation high-temperature oxidation pyrolysis
1 北京理工大学材料学院，北京 100081
2 北京理工大学前沿交叉科学研究院，北京 100081
3 清华大学化学工程系，北京 100084
采用固态电解质的固态锂电池有望从根本上提高电池的安全性能及能量密度，被认为是最具应用前景的下一代电池技术之一。在诸多固态电解质中，硫化物固态电解质由于超高的离子电导率被认为最具实用化前景，但固态电解质膜易碎、难以加工等问题严重阻碍了其在固态电池中的应用。近年来，大量研究成果表明在固态电解质中引入柔性聚合物或柔性支撑载体等可以实现固态电解质膜的柔性化，从而可以解决固态电解质在规模化、薄膜化制备过程中脆裂问题。因此，固态电解质柔性化是推动固态电池工业化的重要解决方案之一。首先介绍了硫化物固态电解质的理化性质及发展历程，随后，总结了聚合物自支撑方法与柔性骨架支撑策略在固态电解质柔性化方面的研究进展，并分别讨论了湿法和干法工艺在硫化物固态电解质柔性化方面的技术特点和优劣，最后对未来发展趋势进行了展望，旨在进一步推动固态锂电池迈向实用化。
硫化物电解质 固态电解质 柔性 固态锂电池 sulfide electrolytes solid-state electrolyte flexibility solid-state lithium batteries
中南大学 粉末冶金国家重点实验室, 湖南 长沙 410083
为提高柔性可穿戴传感器的电信号输出能力, 设计并制备了以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体, 锆钛酸铅(PZT)为压电相的0-3型压电复合材料。探究了不同固相含量对浆料流变性能的影响。结果表明, 浆料的粘度与剪切模量随银修饰PZT质量分数(w(PZT))的增加而增加, w(PZT)=38%时浆料屈服点为398.1 Pa, 具有最优的可打印性。在电信号测试中, 经银修饰样品最大电压峰-峰可达20.54 V, 约为未经银修饰样品最大电压峰-峰值的5倍。弯曲测试中, 在长度之差ΔL=7 cm时, 样品电压峰-峰值为55 mV, 证明样品具备柔性传感性能。
直写成型 锆钛酸铅(PZT) 0-3 型压电复合材料 柔性 传感 direct ink writing lead zirconate titanate (PZT) 0-3 piezoelectric composites flexibility sensing
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Millimeter Waves, Southeast University, Nanjing 210096, China
2 Institute of Electromagnetic Space, Southeast University, Nanjing 210096, China
Although tremendous efforts have been devoted to investigating planar single-conductor circuits, it remains challenging to provide tight confinement of electromagnetic field and compatibility with active semi-conductor components such as amplifier, harmonic generator and mixers. Single-conductor spoof surface plasmon polariton (SSPP) structure, which is one of the most promising planar single-conductor transmission media due to the outstanding field confinement, still suffers from the difficulty in integrating with the active semi-conductor components. In this paper, a new kind of odd-mode-metachannel (OMM) that can support odd-mode SSPPs is proposed to perform as the fundamental transmission channel of the single-conductor systems. By introducing zigzag decoration, the OMM can strengthen the field confinement and broaden the bandwidth of odd-mode SSPPs simultaneously. More importantly, the active semi-conductor amplifier chip integration is achieved by utilizing the intrinsic potential difference on OMM, which breaks the major obstacle in implementing the single-conductor systems. As an instance, an amplifier is successfully integrated on the single-conductor OMM, which can realize both loss compensation and signal amplification. Meanwhile, the merits of OMM including crosstalk suppression, low radar cross section (RCS), and flexibility are comprehensively demonstrated. Hence, the proposed OMM and its capability to integrate with the active semi-conductor components may provide a new avenue to future single-conductor conformal systems and smart skins.Although tremendous efforts have been devoted to investigating planar single-conductor circuits, it remains challenging to provide tight confinement of electromagnetic field and compatibility with active semi-conductor components such as amplifier, harmonic generator and mixers. Single-conductor spoof surface plasmon polariton (SSPP) structure, which is one of the most promising planar single-conductor transmission media due to the outstanding field confinement, still suffers from the difficulty in integrating with the active semi-conductor components. In this paper, a new kind of odd-mode-metachannel (OMM) that can support odd-mode SSPPs is proposed to perform as the fundamental transmission channel of the single-conductor systems. By introducing zigzag decoration, the OMM can strengthen the field confinement and broaden the bandwidth of odd-mode SSPPs simultaneously. More importantly, the active semi-conductor amplifier chip integration is achieved by utilizing the intrinsic potential difference on OMM, which breaks the major obstacle in implementing the single-conductor systems. As an instance, an amplifier is successfully integrated on the single-conductor OMM, which can realize both loss compensation and signal amplification. Meanwhile, the merits of OMM including crosstalk suppression, low radar cross section (RCS), and flexibility are comprehensively demonstrated. Hence, the proposed OMM and its capability to integrate with the active semi-conductor components may provide a new avenue to future single-conductor conformal systems and smart skins.
odd-mode spoof surface plasmon polariton single-conductor system amplifier crosstalk suppression low RCS flexibility Opto-Electronic Advances
2022, 5(8): 210119
