超薄聚合物压电膜用于穿戴式柔性电子器件

以下文章来源于电介质Dielectrics

研究背景

压电聚合物薄膜由于其力电耦合线性度高、自驱动、动态响应能力强、柔性好等特点，在面向人体生理健康监测的可穿戴电子器件中应用广泛。然而，通过热压、双轴拉伸、溶液浇筑等方法构建的传统聚合物压电膜，其膜厚通常在数十微米，器件厚度可达数百微米，难以与人体皮肤共形贴附实现对生理信号的准确监测。虽然利用刮涂或旋涂等方法通过严格控制工艺参数可以实现10微米下超薄压电膜的制备，但是大尺寸薄膜的剥离仍然存在较大挑战。因此，发展简单且高效的超薄压电聚合物膜制备工艺对表皮型压电器件的发展至关重要。

成果简介

近日，西南交通大学邓维礼副教授和杨维清教授团队提出一种超薄压电聚合物膜的制备策略。首先，基于旋涂法制备厚度仅为3 μm的超薄P(VDF-TrFE)膜，进一步基于聚合物膜与玻璃基底对水的亲和性差异，通过水相辅助剥离实现了大尺寸聚合物膜的无损转移剥离。超薄膜表现出了较低的模量（仅为0.43 GPa）和与人体皮肤优异的共形贴附能力。此外，结合退火处理，超薄膜的压电系数可达11.67 pC N-1，压力传感灵敏度为4.56 mV kPa-1。研究团队将压电薄膜成功应用于人体动脉信号以及人机交互力监测中，可实现人体不同穴位脉搏信号及交互过程中手掌压力分布的准确识别，为面向人体可穿戴监测的超薄压电传感器设计提供了可行思路。研究成果以“Ultrathin Epidermal P(VDF-TrFE) Piezoelectric Film for Wearable Electronics”为题作为封面论文发表在《ACS Applied Electronic Materials》上（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaelm.2c01760），2021级博士研究生田果为论文第一作者，邓维礼副教授和杨维清教授是文章的通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、四川省科技项目及新西兰皇家学会经费等项目的支持。

图文介绍

图1. 面向人体健康监测的超薄压电膜设计策略及应用场景

图2. 超薄压电膜传感器件的制备 (a-b) 超薄压电膜传感器件的示意图及实物图；(c) P(VDF-TrFE)薄膜的水接触角；(d-e) 水相辅助剥离制备超薄压电膜的示意图及实物图(b和e中的比例尺为10 mm)。

图3. 压电膜的形貌及性能表征 (a)超薄压电膜共形贴附于人体皮肤；(b)压电膜截面形貌；(c)超薄压电膜与商用PVDF压电膜的机械性能对比；(d-e)不同退火温度下超薄压电膜的极化强度及压电系数；(f)压电薄膜器件的灵敏度表征。(a和b中的比例尺分别为20 mm和2 μm)

图4. 超薄压电膜的传感应用 (a-b)动脉信号监测示意图及不同运动状态下的动脉心率测试结果；(c)桡动脉Cun, Guan, Chi穴位测试实物图；(d)不同位点传感器的力敏传感性能验证；(e) Cun, Guan, Chi穴位的脉搏信号测试结果；(f-h)人机交互中手掌的压电信号成像图及特定位点的压电响应。(c中的比例尺为20 mm)

团队简介：

杨维清，西南交通大学材料科学与工程学院教授/博导，前沿科学研究院院长，2022年中国高被引学者，主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究。近年来，带领纳米能源材料与功能器件团队在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater., ACS Nano, Nano Lett., Adv. Funct. Mater.等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计200余篇，ESI高被引论文20篇，引用11000余次。所做工作被美国知名网站NewScientist，CCTV等近20家媒体专题报道，受到法国路透社，中国科学网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等多家国内外媒体关注。团队长期欢迎对多功能敏感材料及功能器件感兴趣的学生报考研究生。

团队主页：https://faculty.swjtu.edu.cn/yangweiqing/zh_CN/index.htm

邓维礼，特聘研究员，四川省海外高层次留学人才，西南交通大学双百人优秀创新创业导师库专家。主要从事纳米功能材料及柔性可穿戴传感的基础研究，并探索其在可穿戴人机交互系统领域的应用。近年来，以第一或通讯作者身份，在Chem. Soc. Rev., Adv. Funct. Mater., ACS Nano, Nano Lett., Nano Energy等国际知名期刊发表学术论文30余篇，包括ESI热点论文1篇，ESI高被引论文6篇，封面论文7篇，论文引用5000余次。主持国家自然科学基金青年基金项目、四川省科技厅重点研发项目、四川省自然科学基金面上项目、中央高校科技创新项目等多项国家及省部级科研项目，部分成果已完成转让。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaelm.2c01760

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