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摩擦起电用于实现主动式模拟信号调控

注:文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析


摩擦起电是我们生活中最常见的物理现象之一,它开启了人们对电的认知。然而长久以来这种现象一直被作为一种负面效应尽力避免和消除。2012年,美国佐治亚理工学院王中林教授课题组首次提出了摩擦纳米发电机的概念,成功地利用摩擦起电效应实现了环境能量的收集。那么,除此之外摩擦起电是否还有其他用途呢?近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛点击查看介绍团队通过将调谐二极管集成到柔性薄膜上,制备了一种摩擦电子学调谐二极管,实现了摩擦静电势对模拟信号的主动式调制。


随着社会的发展,人们在即时通讯、个人健康监测、智能可穿戴设备以及传感器网络等领域对智能电子设备的需求不断增长,为用户开发功能性的交互设备变得越来越重要。模拟信号调制是指对连续时间信号进行的处理和变换,它在功能性电子产品中起着至关重要的作用。但是由于目前绝大多数的电子器件与外部环境(或刺激)之间缺乏一种有效的直接交互机制,我们只能在传统电路中实现对模拟信号的电调制,人们很难主动式地参与到电子电路的调控中。而在电子电路调控领域,模拟信号调制起着非常重要的作用,因此我们迫切地需要研究出一种能够用于人机交互和柔性电子设备的主动式的模拟信号调制。


2014年,中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员和王中林院士首次提出了摩擦电子学(Tribotronics)新领域,它利用摩擦产生的静电势作为栅电压来调控半导体中载流子的输运特性。由于摩擦电子学器件可以将外部的机械能转换成内部的控制信号,因此为实现主动式的人机交互提供了一个新思路。迄今为止,摩擦电子学器件已被成功地运用到机电耦合式逻辑电路、接触门控有机LED、触摸有机存储、增强型光电晶体管、可调光探测器、智能触碰开关和晶体管触觉传感阵列等领域。所有这些摩擦电子学器件都是基于摩擦电子学晶体管的理论模型,即将摩擦产生的静电势施加到MIS电容器上,用于调节半导体中载流子的输运特性。除此之外,二极管中PN结的结电容作为一种电容性负载,也可以通过摩擦静电势进行调节,从而为实现主动式的模拟信号调制提供了一个新的解决方案。


基于上述想法,由张弛研究员和王中林院士指导的团队,近期将独立摩擦层式的摩擦纳米发电机与变容二极管相结合,提出了一种柔性摩擦电子学调谐二极管应用于主动式模拟信号调制,进行信号的频率调节、相位调节、滤波等操作。该器件结构中变容二极管的PN结的结电容可以被独立摩擦层式摩擦纳米发电机产生的静电势所调控。随着PN结两端加载的反偏电压逐渐增大,PN结的结电容会逐渐减小,这一力致变容特性使得电路中二极管的结电容随着外部滑动的改变而变化。该摩擦电子学调谐二极管具有很好的电容变化特性,同时还具有优良的信号调制特性和工作稳定性。他们将其集成到模拟电路中,成功地通过滑动手指实现了频率调节、相位偏移和低通滤波等模拟信号调制功能。不同于以往的摩擦电子学晶体管,这项工作首次展示了一种可以用于主动式模拟信号调制的摩擦电子学二极管,在人机交互、智能可穿戴设备、信号处理、健康监测、主动式传感器网络、无线通信等领域具有巨大的应用前景。


这一成果近期发表在ACS Nano 上,文章的第一作者是中国科学院北京纳米能源与系统研究所博士后周桃和硕士研究生杨智伟


该论文作者为:Tao Zhou, Zhi Wei Yang, Yaokun Pang, Liang Xu, Chi Zhang, and Zhong Lin Wang

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Tribotronic Tuning Diode for Active Analog Signal Modulation

ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.6b07446


张弛博士简介


张弛,博士,中国科学院北京纳米能源与系统研究所青年研究员,博士生导师,摩擦电子学研究组负责人;2004年获华中科技大学学士学位,2009年获清华大学博士学位;曾在清华大学从事博士后研究工作,并赴日本NSK精工株式会社研修;2013年入职中国科学院北京纳米能源与系统研究所。张弛主要从事纳米能源、耦合传感和微纳集成系统领域的研究,集中于摩擦纳米发电机、摩擦电子学与摩擦光电子学器件、自驱动MEMS/NEMS智能器件与集成系统等,并开展其在传感器网络、人机交互和新能源等领域的应用研究。近年来在摩擦纳米发电机新原理、新应用等方面开展了一系列原创性研究,首次提出了由摩擦电和半导体耦合的摩擦电子学新研究领域,在摩擦电子学基础理论、材料多样性、功能器件以及阵列化集成等方面取得了具有重要国际影响力的研究成果;已在Adv. Mater.Adv. Energy Mater.Adv. Funct. Mater.ACS NanoNano EnergyNano Today 等国际权威学术期刊上发表论文50余篇,获14项专利授权;在国际学术会议做报告10余次,其中大会报告1次,邀请报告5次;曾获NSK中日友好机械工学优秀论文奖、中国博士后科学基金面上资助和特别资助;主持国家自然科学基金青年科学基金项目、面上项目和北京市自然科学基金预探索项目;入选中国科学院青年创新促进会、北京市科技新星计划,现为中国微米纳米技术学会高级会员、青年工作委员会委员、微纳传感技术分会理事、NANOSMAT学会会士。


张弛

http://www.x-mol.com/university/faculty/40444

个人主页

http://people.ucas.ac.cn/~chizhang


科研思路分析


Q:这项研究的最初目的是什么?或者说想法是怎么产生的?

A:以往的摩擦电子学器件都是基于摩擦电子学晶体管的理论模型,本研究的最初目的是通过将摩擦纳米发电机与变容二极管相结合把摩擦电子学的研究领域扩展到摩擦起电调节二极管器件的方向,从而为实现主动式的模拟信号调制提供一个新的解决方案。


Q:研究过程中遇到的最大挑战在哪里?

A:为了验证该摩擦电子学调谐二极管在模拟信号调制领域的应用前景,我们将其集成到频率调节电路、等幅移相电路和低通滤波电路中进行了应用示范。实验过程中需要大量的模拟电路与电子器件方面的知识储备,而我们的团队成员主要来自物理、机械和材料专业。因此我们在理论计算、电路设计、硬件电路制作与调试、测试设备选择与调试、实验结果分析等方面都面临了巨大的挑战。


Q:本项研究成果最有可能的重要应用有哪些?哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助?

A:该器件非常适合用于实现主动式的模拟信号调制,在模拟信号的频率调节、相位调节和低通滤波等应用领域都表现出很好的性能。该器件在人机交互、智能可穿戴设备、信号处理、自供能传感器网络和无线电通讯等领域都具有广阔的研究价值和应用前景。


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