Nano Select：高介电二维氧化物新应用——单层二维氧化钛构筑纳米级超高灵敏度压力传感器

文章来源：materialsviewschina

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随着5G时代和物联网技术的发展，小型化和智能化成为当代电子元器件的发展趋势。传感器作为物联网组成的核心之一对于相关产业的发展具有举足轻重的作用。其中压力传感器作为传感元器件中重要的组成部分，在自动化控制、机器人、电子皮肤、触屏、工业生产等各个领域都占据着重要的地位。随着仪器和设备的高度集成化，压力传感器的微型化需求不断攀升。因此，如何构筑微米甚至纳米尺寸且性能优异的传感器件已成为压力传感器研究领域的一个重要研究方向。

郑州大学原会雨副教授和单崇新教授团队联合香港城市大学、河南省产品质量监督检验院、东南大学、荷兰特文特大学等多个团队，巧妙利用二维氧化物材料的高介电性能以及其单层膜的非连续性构筑了单层二维氧化钛薄膜作为功能层的压力传感器。该传感器的制备无需复杂的图案化工序，制备过程简单，却可以实现器件的高灵敏度和优异稳定性。当传感器所受压力低于阀值时，单层纳米膜可以有效分隔两边的电极，使传感器能够以10^-6 mA的超低初始电流运行。而当施加的压力超过压力阀值时，器件能够通过二维纳米薄膜形成导电通道，从而使传感器具有10⁶kPa^-1量级的超高灵敏度。另外，通过控制单层二维氧化钛纳米膜的制备工艺可以实现压力传感器工作阈值和工作压力区间的调控，通过对三种不同结构的压力传感器的测试发现压力传感器的工作阈值和工作压力区间分别为0.23-0.40 (0.17)kPa，1.49-2.02 (0.53)kPa和2.84-4.01 (1.17)kPa。研究还发现，得益于简单的器件结构和二维氧化钛良好的重复性和长期稳定性。将该压力传感器应用于脉搏跳动测试，能够获得与商用医疗设备相同的测量结果，证实了该类器件良好的应用前景。

文章还采用有限元分析对该种压力传感器的工作机制进行了深入研究，模拟结果从理论上证实通过调节二维纳米膜的覆盖度是调节器件工作阈值和工作压力范围的有效途径。当覆盖率较小（间隙较大）时，电极易于变形并相互连接，因此该器件显示出较小的压力阀值和更高的灵敏度；当覆盖率高（间隙较小）时，电极需要较高的压力才能变形，并且变形不会集中在间隙处，因此该器件显示出较高的压力阀值和较低的灵敏度。

鉴于该类器件超薄的结构、可调的工作范围以及超高灵敏度，研究者相信通过合理的设计能够开发、构建基于该类结构的超高灵敏度和大量程的压力传感器，因此该体系有很大潜力有待挖掘。对比石墨烯以及二维硫族化合物等其他二维材料，二维氧化物的应用开发研究关注度不足。基于二维氧化物薄膜传感器的应用开拓，相信将为二维氧化物为基础的应用研究注入新的活力。

郑州大学原会雨副教授、单崇新教授、香港城市大学孙启军博士为论文共同通讯作者，郑州大学硕士研究生刘皓和河南省产品质量监督检验院冯波为共同第一作者。

论文信息：

Two-dimensional oxide based pressure sensors with high sensitivity

Hao Liu, Bo Feng, Xiaosong Bai, Tianhang Qi, ZhiyongWei, Ruichao Liu, Keke Yin, Jinxing Gao, Daoyuan Yang, Guangchao Zheng, Johan E. ten Elshof, Chongxin Shan*, Qi-Jun Sun*, Huiyu Yuan*

Nano select

DOI: 10.1002/nano.202100053