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中科院半导体研究所沈国震研究员课题组近年来工作概览

沈国震研究员简介



沈国震,1976年8月生。中国科学院半导体研究所研究员,博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者。1999年在安徽师范大学化学系学士学位,2003年在中国科学技术大学化学系获得博士学位。2004年2月-2013年2月分别在韩国汉阳大学、日本国立材料研究所、美国南加州大学以及华中科技大学从事科研工作。2013年加入中科院半导体所超晶格国家重点实验室工作。长期从事低维半导体材料与相关柔性器件的研究工作,迄今在Chemical Society Reviews, Advanced Materials, Nano Letters等国际权威期刊发表SCI收录论文300余篇,所发表的文章被引用超过18000次,论文的H指数为74。先后获国家杰出青年科学基金、北京市科学技术二等奖、中国材料研究学会科学技术一等奖、茅以升北京青年科技奖等奖励和荣誉。现任英国皇家化学会会士,中国材料研究学会理事,以及学术期刊Nanoscale Research Letters,Journal of Semiconductors的副主编。


本文选取沈国震研究员代表性的文章来简要介绍该课题组所近年来取得的开创性研究成果。


(一)柔性光电探测器


柔性红外光电探测器与晶体管集成实现红外光信号增强


红外光电探测器是一种非常重要的光电器件,在光通信、图像传感以及人体健康监测等方面具有非常广泛的应用。低维半导体纳米材料因其与传统的半导体材料相比具有大的比表面积和独特的电学特性,可以有效的提升红外光电探测器的性能,并且可以兼容传统的硅基半导体工艺,是未来红外光电探测器发展的重要方向之一。然而低灵敏度限制了低维窄带隙半导体纳米材料在红外光电探测器中的应用。


为了解决上述问题,该课题组采用化学气相沉积(CVD)材料生长工艺,合成了Bi2Se2S纳米线和Ga-In2O3纳米线,并分别用于红外光电探测器和晶体管的组装,然后将器件进行电学互联,搭建了一种柔性全纳米线红外传感系统,首次实现了利用纳米线晶体管对低维半导体光电探测器探测到的红外光信号进行增强。该系统对于外界红外光表现出了出色的灵敏度,高达4~5个数量级。通过扩展器件阵列的像素密度而组装的图像传感阵列,实现了对于外界图像式光线分布的高对比度感知。研究成果发表在Advanced Materials 期刊上(Adv. Mater., 2020, 32, 1908419 )。

图1.(a)红外探测系统的结构;(b)探测系统的工作原理;(c,d)红外探测性能。


(二)柔性图像传感与存储


柔性紫外光电探测器集成忆阻器用于仿生人工视觉存储系统


传统的紫外光电器件虽然实现了对紫外光线的感知能力,而且高密度的器件阵列已经可以做到实时分辨一些特定的图形,但是它们仍然存在着很多局限性,例如较弱的光感应度和较差的精确度等。最重要的是,目前还没有研究能够实现对于所感知到的光线信息的存储功能。因为它们仅仅能感知外界的光线变化,当光线消失后,这种感知迅速消退,而不能将这种信息像人体的视觉系统一样存储记忆起来。因此,进一步研究类人体视觉系统中对信息的存储和再现功能显得尤为迫切。

图2.(a)基于图像传感器和忆阻器的人工视觉存储系统;(b)集成器件的单元结构示意图;(c-f)光电探测器、忆阻器与集成器件的I-V特性曲线和工作原理曲线。


为了克服现有技术和器件的一些缺点,该课题组设计了一种新颖的器件结构来模拟人体的视觉感知和存储系统。首先通过近场纺丝直接打印的方法制作了阵列结构的In2O3微米线,基于In2O3微米线的紫外光电探测器具有极高的开关比(~104),需要强调的是通过打印不同阵列微米线的数目可以用来调节暗电流和光电流的大小,这为进一步与忆阻器的集成提供很好的工艺基础。然后通过将光电器件的其中一端电极取代基于Al2O3薄膜忆阻器的上电极,使光电器件与忆阻器件串联,集成得到仿生的视觉存储器件。其中忆阻器的电阻开关(ON和OFF)状态可以通过对光线敏感的光电器件来转换。当光电器件感受到紫外光时,其电阻降低,导致忆阻器两端的电压增加,当其电压增加至忆阻器的开启电压(Vset)时,其电阻状态由高阻态(HRS)转换为低阻态(LRS)并将一直保持这种低阻态,这样就实现了对光线信息的存储能力。这种集成的电子器件具有高的记忆窗口(~102),良好的长期稳定记忆能力(至少一周不会消除)和可擦除复写能力。另外,通过制备10×10阵列的柔性集成电子器件,也实现了对图案化光线分布的感知与存储功能,完成了对人体视觉的感知和存储功能的初步模拟。研究成果发表在Advanced Materials 期刊上(Adv. Mater., 2018, 30, 1705400)。


(三)电子皮肤


超薄电子皮肤


皮肤作为人体最大的器官,负责人体内部与外界环境的交互。在其柔软的组织下面分布着一个庞大的传感器网络,从而实时获得温度、压力、气流等外界信息的变化。电子皮肤通过模拟人类皮肤的传感功能,能实现或超越皮肤的传感性能,在机器人、人工义肢、医疗检测和诊断等方面展现应用前景。随着信息技术的不断进步,人们对发展高性能的电子皮肤的需求也不断增加。因此,具有超薄、可拉伸、多参数检测等性能的柔性电子皮肤正在引起广泛的关注和迅速的发展。


该课题组近期在电子皮肤领域取得了新进展,开发了一种可直接贴附在人体表面的超薄高像素柔性电子皮肤阵列。通过引入聚合物中空球纳米结构,传感器对环境压力展现出了超高的灵敏度(31.6 kPa-1),以及低的探测下限(0.6 Pa)。由于所制备的聚合物具有负温阻效应,传感器还对环境温度具有很好的响应。利用简单的半导体加工及转印工艺,设计了微米级的超薄可拉伸衬底及蛇形电极结构,使得器件不仅弹性好,也不易损坏,可以在不同环境下拉扯揉折之后,仍能感受到外部压力与温度的变化。将这种超薄电子皮肤应用于医学领域,成功地实现了对人体脉搏、语音、呼吸、体表温度等生理信号的实时快速监测,并实现了对不同物体的压力分布成像。为了避免人体生理信号监测中,体表温度变化对器件的影响,还对传感器进行了温度补偿进而提高器件在实际应用中的检测精度。研究成果发表在Nano Energy 期刊上(Nano Energy, 2017, 38, 28-35)。

图3. (a-b)超薄电子皮肤示意图与实物图;(c-i)人体脉搏、语音、呼吸、体表温度等生理信号的实时监测。


人机交互


人机交互技术因其在物联网(IoT)中的重要应用而受到广泛关注,例如可穿戴电子和远程医疗监控等。对于人机交互系统,智能传感器起着关键作用,因为它们可以有效地将来自人体的各种信号“转换”为机器可以识别的信息。因此,开发具有高灵敏度和快速响应的各种智能传感器尤为重要。传统传感器通常检测直接接触中的信号,例如压力传感器,应变传感器等。然而,直接接触传感不仅会带来不可避免的机械磨损,还会限制其在更广范围例如在有毒或有害环境中应用。为了克服这些缺点以满足多样的应用需求,柔性非接触湿度传感器成为现有传感器的一个重要补充,可作为先进人机交互系统的新型控制方法。


最近,该课题组成功研制出一种柔性透明的高性能湿度传感器,该传感器基于MoO3纳米片,采用低成本、简便的溶液方法合成。所制备的湿度传感器对外部相对湿度(RH)表现出出色的灵敏度,RH从0%变为100%时电流变化了5个数量级。此外传感器具有快速响应(<0.3 s)和恢复时间(<0.5 s),还表现出长期稳定性(> 1个月),并且具有很好的机械灵活性。同时,研究人员开发了一种可穿戴湿度分析系统,用于环境RH监测和非侵入性人体呼吸监测。此外,该湿度传感器的远程非接触式交互式传感特性被应用于非接触式多级开关和柔性非接触控制屏幕两个人机交互系统中。研究成果发表在Small 期刊上(Small, 2019, 15, 1902801)。

图4. (a,b)柔性透明湿度传感器阵列示意图;(c-h)湿度传感器阵列在非接触控制屏中的应用。


(四)柔性储能


柔性储能器件是实现全柔性电子系统必不可少的单元之一。在诸多柔性储能器件中,线状能源器件可以直接编织进衣物或棉制品中,在不影响人们的正常生活的前提下来实现能量供给功能。从电极结构的角度可以将其分为两类,包括缠绕式结构与同轴式结构。相较于缠绕式结构,具有同轴式结构的纤维状超级电容器更受关注,主要原因是同轴式超级电容正负电极之间的间距更小、材料利用率更高、比容量也更大,但是其组装与性能提高仍面临挑战。


为了解决上述问题,该课题组提出了通过简单的电沉积法和刻蚀的方法来组装基于空心聚吡咯(PPy)的柔性线状同轴超级电容器,该器件的电化学性能远高于缠绕式结构的器件,具有2.44 F/cm3(19.6 mF/cm2)的比电容,最大体积能量密度为0.27 mWh/cm3,最大功率密度为0.96 W/cm3,与薄膜锂电池(10-3-10-2 W/cm3)的功率密度相当。他们还利用ANSYS Maxwell软件对这两种电极结构不同的超级电容器进行了静电场中的仿真,计算所得的同轴式线状电容器的比电容是缠绕式超级电容器的比电容的5.95倍。同时证实由于同轴式超级电容器正负极之间的距离较短,电位分布更均匀,接触电阻更低,所以同轴式超级电容器相较于缠绕式超级电容器电化学性能更好。研究成果发表在Advanced Materials Technologies 期刊上(Adv. Mater. Technol., 2018, 3, 1800115)。

图5. 柔性线状电容器与可拉伸微电容阵列。


人体的皮肤是具有一定拉伸性的,这个新兴领域的发展与在形变中依然可以维持优异性能的柔性及可拉伸多功能集成器件是密不可分的。为了实现这些特征,传统的能源存储单元应该被重新设计成可拉伸的形式,并与可拉伸的电子设备集成在一起,形成一体化可拉伸的集成微系统,从而实现其监测、传感或检测功能。可拉伸微型超级电容器作为能量收集和存储系统是可拉伸集成器件中不可缺少的组成部分,它具有尺寸小、易集成、响应时间短、有高瞬时功率和循环寿命长的优势,因此受到了广泛地关注。但是组装的器件通常是单个器件,往往具有较低的工作电压窗口(0-0.8 V),这也导致它的能量和功率密度都较低,很难作为能源装置来驱动集成可拉伸电子器件。


基于以上考虑,该课题组提供了一种新的、简单可靠的3D打印方法,以制备具有波状电极结构的图案化模具,随后用可拉伸PDMS基底转印该图形,将多壁碳纳米管(MWCNTs)和聚苯胺(PANI)纳米棒复合材料作为电极注入波浪状电极中,制备出可拉伸的全固态微型超级电容器阵列。所合成的MWCNT@PANI纳米复合电极材料充分利用了MWCNT的高比表面积和优异电导率以及PANI纳米棒的高比电容。因此,所组装的微型超级电容器表现出44.13 mF/cm2的面积电容,在能量密度为0.004 mWh/cm2时功率密度为0.07 mW/cm2。此外,可拉伸的全固态微型超级电容器阵列在拉伸、扭曲、卷曲、折叠等不同条件下也表现出稳定的性能,证明了其在智能可穿戴设备中的可应用价值。研究成果发表在Advanced Materials Technologies 期刊上(Adv. Mate. Technol., 2017, 2, 1600282)。


(五)可穿戴多功能集成电子


自供能汗液传感系统


汗液是一种复杂的生理分泌物,它含有不同类型的离子,如钠离子、钾离子。此外还有少量有机化合物,如乳酸、葡萄糖等。汗液的分泌量可随人体生理条件的变化而变化,因此可以通过智能传感技术对汗液进行监测分析从而得出一些人体生理状况的变化从而预先诊断某些疾病的出现,做到提前预防提前治疗。尽管一些传感设备在人体健康监测方面发挥了一定的作用,但是生物酶基传感器使用寿命有限以及外部大体积且坚硬的供电电源严重限制了可穿戴监测系统的进一步集成。因此,开发具有柔性集成电源单元的高度集成的一体化智能传感系统仍然是一个挑战。


该课题组近期研发了一种自供电汗液监测系统,通过将传感器阵列(包括葡萄糖传感器、钠离子和钾离子选择性传感器)与微型超级电容器集成到同一片柔性PET基底上制作而成。集成的柔性微型超级电容器具有18.5 mF∙cm-2的高面积比电容和优良的速率性能。此外,该系统的传感器同样展现出了优异的性能。葡萄糖传感器可以监测不同浓度的葡萄糖溶液,其灵敏度为0.5 A∙M-1,钠离子和钾离子传感器分别对各自的离子具有相应的选择识别性。他们制作的该系统可以穿戴在人体的手腕位置对人体在运动过程中流失的葡萄糖或者无机盐离子有一定的掌握,并且会设定一个上限值,一旦汗液中的哪一项指标超出预设值该监测系统都会做出警示。研究成果发表在Nano Energy 期刊上(Nano Energy, 2019, 58, 624-632)。

图6.(a)自供能汗液传感系统示意图以及信息转换实时显示设备。(b)葡萄糖传感器、钠离子传感器、钾离子传感器实时响应曲线。


以上为沈国震研究员课题组近年来具有代表性的工作成果,其它更多具体详细的信息请参考该课题组的网站:

http://www.escience.cn/people/gzshen/index.html


此外,该课题组欢迎有志于科研,并对柔性电子学研究方向感兴趣的同学联系报考硕士/博士以及博士后岗位。


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