柔性压电电子学是一门快速发展的新兴学科,涉及有机/无机功能材料、电子器件设计、及其集成制备,具备感知和能量采集功能,可满足个性化、可穿戴、物联网以及多功能需求。
图1. 概述3D打印制备柔性压电电子,包括材料、结构设计,器件集成打印过程以及应用.
文章将柔性压电材料总结为两大类:(1)有机压电聚合物及其复合材料,(2)无机压电与高分子的复合材料。在压电性能增强机理方面,总结了材料改性方法,包括有机共聚物掺杂方法,诸如引入三氟乙烯、六氟丙烯、三氟氯乙烯等单体,引入空间位阻,来增强压电效应和机电耦合,或者增强铁电弛豫性;无机纳米材料掺杂方法,诸如铁电性、铁磁性、半导体纳米掺杂填料,以及导电性纳米材料掺杂等,引入极性或者电荷中心来强化压电效应。同时总结了压电复合材料制备过程中的电场效应、磁场效应,对诱导压电材料中压电晶相的转变、改善压电性能所产生的作用。
图7 . 应用于生物医疗.
文章也介绍了课题组的最新发现:高能取向应力场可以诱导PVDF共聚物从无序、星状纳米晶,转变为有序、纤维链状纳米晶,并表现出自极化特征,无需后续的高电压极化,就显示出相当的压电与机电耦合特性。此外,介绍了多材料3D打印技术直接制造多层共聚物,获得了高达130 pC/N的压电系数;制备的柔性橄榄球结构压电电子,获得2.2倍、10倍更高的压电电压输出和电流输出。
文章最后展望了3D打印柔性压电电子的未来发展,探讨了进一步提高柔性材料压电性能、机电耦合效应的途径与策略;讨论了进一步改善3D打印柔性压电电子的工艺路径、器件结构设计与优化方法,以及拓展柔性压电电子的应用领域等。文章也指出了柔性压电电子的未来发展中可能遇到的挑战。
本综述文章介绍的知识和方法,以及提出的观点,希望对从事该领域的研究生、研究人员以及工程技术人员,提供参考性指导;也为智能社会的未来发展做出学术方面的贡献。
这一成果近期在线发表在《Materials Today》(影响因子:24.2,中科院一区,TOP期刊)上,题目为“A 3D-printing approach toward flexible piezoelectronics with function diversity”, doi: 10.1016/j.mattod.2023.08.023)。论文第一作者为北京大学工学院青年教师袁小婷博士,论文第二作者为深圳大学高等研究院2022级硕士生麦梓锋,董蜀湘教授和慈鹏弘研究员为本文共同通讯作者。