华中科技大学胡彬团队：静电组装透明层状压电体以用于表皮和植入电子器件

研究背景
与压电陶瓷相比，压电高分子具有重量轻、柔韧性高、生物相容性好、声阻低等优点，目前已经应用于医疗健康领域，如可穿戴或可植入式生物电子器件。实现压电效应的必要条件是在高分子内产生偶极矩获得永久净极化，这不仅依赖于高分子内压电晶体畴或者分子偶极子的形成，同时也要求它们良好有序地排列。对于极性高分子，常采用伸展和撑持的方法来提高压电性能。然而，由于理想的分子排列结构较难获得，且极化步骤复杂，从而阻碍了压电高分子的商业化进程。
一些特定结构的非极性高分子也可以具有压电效应，比如基于驻极体材料的荷电网状压电高分子，相关研究已经证明了其在人体能量收集、健康监测、触觉感知等方面的潜在应用。对于网状压电高分子，可在空腔的两侧通过电晕或电极充电的方法引入相反电荷来充当偶极子。质量轻和柔韧性高的特性使得压电高分子在穿戴设备中纳米发电机和自发电传感器的应用上颇具潜力。与无孔高分子相比，网状高分子也有一些局限性，例如存在陷阱电荷损失和热不稳定性引起的寿命不确定性。此外，在实际生产中，如何精准控制腔体几何形状和内部电荷分布来获得均匀一致的谐振频率也是一个不小的挑战。鉴于以上压电高分子的局限性，华中科技大学胡彬团队开发了一种具有驻极体/电介质/驻极体(EDE)典型三明治结构的新型压电高分子，它兼具无孔极性高分子和网状非极性高分子的压电性能, 压电常数（d33）可达930pC N-1。相关研究成果已发表在Nano Energy, 题目为“Electrostatic Assembly of Laminated Transparent Piezoelectrets for Epidermal and Implantable Electronics”。
工作介绍

华中科技大学胡彬团队开发了一种通过静电相互作用组装具有三明治结构(驻极体/电介质/驻极体，EDE)的新型压电高分子，并建立了相关物理模型来考察影响其压电特性的主要因素：驻极体和电介质的相对介电常数和弹性模量。除聚乙烯醇（PVA）外，该研究还采用了具有不同相对介电常数和弹性模量的四种高分子作为EDE压电体中的电介质：聚酰亚胺（PI）、聚乙烯醇缩丁醛（PVB）、聚偏二氟乙烯（PVDF）和聚丙烯腈（PAN）。结果表明，使用具有有较大弹性模量和较小相对介电常数的聚乙烯醇缩丁醛（PVB）作为电介质是该EDE压电体的最优设计，所得压电体的压电常数（d33）可达930pC N-1，该结果与理论模型一致。此外，由于具有无孔和无光散射畴壁均匀层状结构的特性，该EDE压电体的透明度在80%以上。该团队成功地证明了EDE压电体应用于表皮和植入式电子产品的可行性，如人体脉搏探测、热能收集、声音产生/探测、以及植入式超声波能量采集等。这项研究为质地柔软、质量轻且透明度高的静电组装压电高分子的应用做好了准备，进而可以向下一代柔性电子、可穿戴设备、可植入电子以及软系统中的纳米发电机等应用进军。

图文详情

图1. EDE压电驻极体的概念和设计.（a）通过静电相互作用组装EDE压电驻极体的示意图；（b）带有相反电荷的典型氟化乙烯丙烯（FEP）驻极体的表面电势；（c）典型的以聚乙烯醇（PVA）为介质的EDE压电薄膜的断面SEM图

图2.典型EDE压电体的基本物理性质.（a）有限元模拟EDE压电体压力和无压状态的电势和应力分布；（b）基于氟化乙烯丙烯（FEP）驻极体和聚乙烯醇（PVA）电介质EDE压电体的可见光透过率，内嵌图为薄膜图片。（c）以2微米聚乙烯醇（PVA）作为电介质时，EDE压电体的拉伸力和剪切强度随距离的曲线; (d) 300克物体挂在EDE压电体上。

图3. EDE压电体的压电性能. （a）EDE压电体的简化模型；（b）使用不同相对介电常数和弹性模量的高分子电介质时EDE压电体的压电常数(d33)；（c）EDE压电体与典型压电体的压电常数(d33)和弹性模量比较；（d）装载/卸载循环压力试验后EDE压电体的机械耐久性；（e）用表面电势和压电常数表征氟化乙烯丙烯（FEP）驻极体薄膜和EDE压电体随温度的电荷稳定性。

图4. 聚乙烯醇缩丁醛（PVB）作为电介质时，EDE压电体的压电和热电性能.（a）压力负载/卸载循环后EDE压电体的输出电压；（b）EDE压电体作为桡动脉脉搏监测的主动传感器，嵌图片为将超薄压电体薄膜贴在手腕上；（c）放大的脉冲信号清楚地显示了收缩期峰值(P1)、拐点(P2)和 两耳分波(P3)；（d）在10K的温度循环下，EDE压电体的热电输出电压。

图5. 聚乙烯醇缩丁醛（PVB）作为电介质时，EDE压电体的声学性能.（a）通过调节电压模拟EDE压电体声压值随着声音频率的变化，内嵌图为贴于皮肤的样本；（b）输出电压与声频的函数关系，内嵌图为亚克力固定的EDE样品；（c）原声“01234567”的波形；（d）波形分析仪提取的相应FFT信号；（e）将样品分别植入猪皮组织下0.9 cm和1.8 cm深处，内嵌图为用聚二甲基硅氧烷密封的样品；（f）在1MHz下用超声探头模拟植入样品的输出电压图以及和放大图。

原文链接

Zisheng Xu, Xiao Wan, Xiwei Mo, Shizhe Lin, Shuwen Chen, Jianping Chen, Yuan Pan, Hongbo Zhang, Hongrun Jin, Jiangjiang Duan, Liang Huang, Long-Biao Huang, Junjie Xie, Fengtao Yi, Bin Hu and Jun Zhou, Electrostatic Assembly of Laminated Transparent Piezoelectrets for Epidermal and Implantable Electronics, Nano Energy, (2021)，doi:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106450

研究团队介绍

通讯作者：胡彬

华中科技大学武汉光电国家研究中心及光学与电子信息学院双聘教授、博导。长期从事柔性光电材料与器件研究，近年来致力于探索穿戴式能源与体征感知的新材料与新技术。在Advanced Materials、ACS Nano、Energy &Environmental Science、Nano Energy、Joule、Advanced Functional Materials、 Angewandte Chemie Int. Ed. 等SCI期刊发表学术论文70余篇，研究论文引用7900余次，授权中国发明专利12项（3项已转让）。在美国材料学会年会等国内外学术会议做报告20余次。担任Advanced Materials、Joule等20余学术期刊审稿人及国家基金项目函评专家。作为负责人主持多项国家自然科学基金项目、国家重点研发计划（项目骨干）、广东省重大科技专项及企业委托项目等。曾获湖北省优秀博士论文、湖北省优秀优秀学士学位论文指导教师，作为主要完成人获湖北省自然科学一等奖、高等学校科学研究优秀成果（自然科学）一等奖、日内瓦国际发明展奖。

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本文作者：材料委天津院

本文责编：王宁宁

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