柔性单通道多功能热电半导体传感器件研究取得重要新进展

近年来, 微型化, 柔性化, 智能化等多功能集成电子器件在人工智能, 生物医疗, 集成电路等领域取得了显著的发展. 其中, 能够同时感知触觉和温度的柔性应力/应变-温度传感器, 因其在电子皮肤, 柔性传感器等发展中的关键作用而受到广泛关注. 传统的应力/应变-温度传感器的设计策略主要是将两种具有应力/应变和温度传感功能(热电/热释电和压电/压阻效应等)的材料集成构建成叠层结构的传感器件. 然而, 此类器件通常以“一对一”模式运行, 结构设计和数据采集复杂, 且需要外部电源驱动, 其长期稳定监测的可靠性不佳. 此外, 大多数关于应变传感的研究往往忽视了应变率传感(施加应变的速率)的重要作用, 这是动态场景中的关键因素. 即使在相同的应变大小下, 由于应变和应变率相互耦合, 应变率的变化也会显着影响材料的应变响应特性. 传统传感器无法通过单一材料和简单结构来实现对多参数变量的实时监测, 即实现材料的多功能化传感具有很大挑战. 近期, 中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心邰凯平研究员带领团队研制出一种基于碲纳米线(Te-NWs)热电-压电耦合效应的柔性, 单通道, 应变/应变率-温度多模态传感器. 研究人员通过材料调控和结构设计克服了以往传统热电材料中热电和压电信号无法在同一方向获得的难题, 在倾斜生长的特殊网状Te-NWs结构中, 实现了压电信号和热电信号在面外方向的同时感知和输出. 传感器具有优异的性能, 应变传感灵敏度为0. 454 V, 应变率传感灵敏度为0. 0154 V s, 温度传感灵敏度达 225. 1 μV K-1, 优于已报道的同类多模态传感器. 同时, 结合第一性原理计算, 证明了Te原子电荷的变化引起的压电效应, 以及外部电场(如热电势等)对于压电信号的调制作用机制. 该工作为基于多物理场耦合效应构建柔性, 单通道, 多模态传感器提供了新思路, 也为耦合“纳米发电机”开辟了新的应用方向. 相关研究结果以“Simultaneous strain, strain rate and temperature sensing based on a single active layer of Te nanowires”为题, 于2025年11月28日发表在期刊上. 金属所博士研究生曾豪为论文第一作者, 邰凯平研究员, 于治副研究员为论文共同通讯作者, 该工作也获得了山东大学和季华实验室合作团队的大力支持. 该研究成果得到了国家重点研发计划, 国家自然科学基金, 辽宁省重点研发计划和沈阳材料科学国家研究中心专项基金的资助. 原文链接: https://www. nature. com/articles/s41467-025-65815-8 图1. 柔性单通道应变/应变率-温度多模态传感器件设计和显微结构特征 图2. 柔性单通道应变/应变率-温度多模态传感机制 图3.  应变/应变率-温度多模态传感器件性能测试曲线 图4.  柔性单通道应变/应变率-温度多模态传感器件应用演示验证