西南交通大学杨维清教授团队《自然·通讯》：全聚合物压-离-电耦合体系的开创！|传感器|信号|杨维清|电荷|离子|聚合物|自然·通讯|西南交通大学

柔性压电器件兼具柔韧性和力电转换功能，扩展了力学传感器的应用领域，迎合了信息时代的各种智能化需求。其中，全聚合物基压电器件极大地避免了常规无机填料掺杂所带来的柔性损失，为柔性电子技术提供了理想的材料学方案。然而，无序和弱极化界面所导致的较低压电性能限制了它们的实际应用。从界面的角度出发，研发高度优化的全聚合物压电系统，有望打破柔性压电器件的性能瓶颈，但极具挑战性。

近日，西南交通大学杨维清教授团队开创了压-离-电耦合器件（piezo-ionic-electric electronics）的全新概念，并由此开发了一种具有有序离子-电子界面的PVDF/Nafion/PVDF全聚合物薄膜，提出了一种基于弯曲自极化特性的压电-压电离子耦合工作机制，实现了力电耦合性能的超高效提升，其压电系数高达80.70 pC N−1。这种压-离-电耦合器件提供了一种前沿的压电传感范式，为高度优化的聚合物压电功能体系开辟了新思路和新方法，有望促进全有机压电器件的创新性发展和价值化应用。该成果以“All-polymer piezo-ionic-electric electronics”为题发表在国际著名期刊《Nature Communications》上，论文通讯作者为西南交通大学杨维清教授和靳龙助理教授，第一作者为西南交通大学博士生徐天培。西南交通大学为唯一署名单位。该项工作得到了国家自然科学基金、四川省自然科学基金等项目的支持。

1.压-离-电耦合器件的全新概念

离子聚合物在非均匀应力作用下会发生非均匀离子迁移，产生离子电位差，被称为压电离子效应。与压电效应类似，压电离子效应在宏观效果上也表现为从力学形变到电学极化的物理逻辑演变。这种极大的相似性为融合两种效应，开创新型自供电耦合传感体系带来了无限可能。本工作所提出的压-离-电耦合器件的概念正是来源于这两种自供电效应的交叉融合。通过热压法得到的全聚合物薄膜具有平整的离子-电子界面，为器件带来了独特的工作机制和突出的力电耦合性能，使其能够广泛应用于能量收集，生理信号监测以及振动状态检测。

图1 压-离-电耦合器件的概念、设计与性质。（a）压-离-电耦合器件的概念来源于压电效应和压电离子效应的交叉融合。（b）热压成型工艺及压电-压电离子耦合功能的结构基础。（c）全聚合物透明薄膜的实物图。（d）在反复弯曲刺激后，PNP器件实现压电激活，这一特殊过程被称为弯曲自极化。（e）PNP薄膜型器件与现有PVDF基薄膜型压电传感器的压力灵敏度比较。（f）压-离-电传感器及换能器的广泛应用场景。

2.基于弯曲自极化特性的压电-压电离子耦合工作机制

结合新奇物理实验现象以及压电离子效应非均匀形变的理论特征，作者团队提出并验证了基于弯曲自极化特性的压电-压电离子耦合工作机制，实现了压-离-电新型传感体系的整体逻辑闭环。以压电效应和压电离子效应在这种新型离子-电子界面上的相互作用为核心点，将其独特的工作机理分为两个阶段进行阐述和验证。弯曲行为引起的压电离子电场诱导了压电自极化，随后两种效应协同实现了整体动态力电耦合响应。弯曲方向与电流相位的解耦实验、电流相位校准实验以及干扰电荷排除实验为这一新型工作机制提供了重要实验证据。

图2 PNP器件独特的压-离-电工作机制及其验证。（a）PNP器件工作过程中的两个阶段（共七种状态）示意图，抽象地描述了两个阶段中PNP内部的微观结构演变。（b）第一阶段验证实验的过程和原理。当两个PNP向相反方向（-Z和+Z）弯曲时，比较了内部微观演化的差异。（c）第二阶段验证实验的流程和原理。对于相同的PNP，在一个方向（−Z）弯曲之后，在另一个方向（+Z）弯曲，其微观演化的相应描述。（d）相反的短路电流相位图，支撑了压电离子效应在弯曲自极化中的决定性作用。（e）相同的短路电流相位图，反映了压电效应在整体响应过程中的主导作用。

3.力电耦合性能的结构基础、性能对比以及综合分析

受益于界面电荷载流子的差异性极化放大，离子-电子界面会产生更多的电荷积累，这被认为是力电耦合性能高效提升的重要原因。分子动力学模拟解析了包括界面构筑与极性诱导在内的双聚合物界面作用。实验表明，这种全聚合物薄膜具有高达80.70 pC N−1的压电系数，器件压力灵敏度也可达51.50 mV/kPa, 电学输出较商业PVDF压电膜提升5倍，并能表现出34.66 mW m−2的瞬时峰值输出功率（177 kPa下）。此外，器件同时具有快速的压力响应时间、良好的频率稳定性以及循环稳定性。

图3 实现力电耦合增强的结构基础及性能对比。（a）PVDF和Nafion双层聚合物界面模型的分子动力学模拟：初始状态（1ps）和最终状态（1000 ps）的快照及相应的极化状态。（b）在三个递增的时间段内，PVDF链在180°附近二面角（反式构象）的分布变化。（c）Nafion中靠近界面的F原子与PVDF中所有H原子之间的径向分布函数。（d）PVDF层和Nafion层在2000 ps动力学时间内相互作用能的演变。（e）PNP薄膜横截面的SEM图像（上色后）。（f）透射模式下PNP、PPP和Nafion的FTIR光谱比较。（g）基于直接压电电荷法的PPP、商用PVDF和PNP的压电系数d33比较。（h）PPP、（i）Nafion和（j）PNP宏观结构组成和微观功能单元的比较。

图4 PNP压-离-电传感与能量收集特性的系统测试与分析。（a）梯度应力下的开路电压。（b）梯度应力下的短路电流。（c）开路电压相对于外界压力的变化。（d）5 Hz外力频率下的压力响应时间。（e）器件的频率稳定性测试。（f）开路电压及短路电流随外接电阻的变化曲线。（g）单位面积瞬时峰值功率随外接电阻的变化曲线。（h）为不同电容器充电时的电压曲线。

4.压-离-电耦合器件的全能化应用展示

基于该种新型器件多项突出的力电耦合性能，作者团队也进一步展示了这种新型压-离-电耦合器件在能量收集、生理信号监测以及振动状态检测等方面的全能化应用：器件作为换能器，在手指按压的条件下可点亮26个串联的小型LED灯珠；而作为传感器，可精确检测出人体微弱生理信号（如脉搏波、声带振动）以及机械振动信号（如音叉振动）。

图5 PNP压-离-电耦合器件的全能化应用。（a-b）PNP作为换能器，连接整流桥后可点亮26个串联LED。（c-d）PNP作为人体信号传感器，监测静息和运动后的脉搏波信号。（e-f）PNP作为人体信号传感器，识别差异化的声带振动模式。（g-l）PNP作为振动传感器，精准检测出不同音叉振动信号的时域图和频域图。

通讯作者简介

杨维清，西南交通大学前沿科学研究院院长，材料科学与工程学院教授/博导，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，在Nature、Nat. Commun.、Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、ACS Energy Lett.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano 等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计280余篇，其中影响因子IF>10论文80余篇，ESI高被引论文25篇，引用16000余次，连续多年入选爱思唯尔中国高被引学者。主持国家自然基金、教育部创新团队、JWKJW重点项目、四川省创新团队、四川省杰出青年基金项目等多项省部级项目，担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家。申请专利40余项(已授权24项)，已转化20余项专利，直接转让经费3000余万元。

靳龙，西南交通大学材料科学与工程学院助理教授，主要从事摩擦电/压电材料与功能器件。近年来，在Nat. Commun.、ACS Nano、Nano Lett.、Nano Energy等期刊发表SCI论文10余篇，其中1篇入选ESI高被引论文、ESI热点论文和封面论文。入选四川省天府青城计划，主持国家自然科学基金青年基金1项，博士后创新人才支持计划1项，四川省苗子工程1项，四川省青年科学基金1项，获得中国振动工程学会科学技术二等奖1项。