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【科技自立自强】西安交通大学科研团队在压电能量收集领域取得重要进展
随着可穿戴电子设备和物联网传感器的不断发展，对于微小能量采集技术的需求也在急剧增加。压电能量收集器以其高能量转换效率和良好耐用性，在众多解决方案中脱颖而出，成为了研究的热点。压电能量收集器的核心价值在于能够将机械能转换为电能，为微型化设备提供自给自足的电源。传统的无机压电材料如钛酸钡（BaTiO3）和锆钛酸铅（PZT）虽具有出色的压电性能，但其硬而脆的力学性质限制了它们在柔性设备上的应用。相比之下，柔性有机压电材料如聚偏氟乙烯（PVDF）虽然具备良好的柔性和生物相容性，但其较低的压电系数影响了能量转换效率。因此，如何构建出用于压电纳米发电机的新型柔性复合材料体系，既能保持高效能量收集，且兼具优异柔性力学特性，仍是亟待解决的难题。
图1(a)层状三明治结构PVDF-TrFE/BTO/PVDF-TrFE压电能量收集薄膜示意图，右侧为实物图；(b)三明治结构复合薄膜的截面SEM图；(c)不同复合结构在弯曲模式下发电性能对比；(d)三明治结构复合薄膜输出功率密度和输出电压与负载电阻的关系；(e)三明治结构复合薄膜在上手指穿戴弯曲图。
为解决这一问题，西安交通大学电子科学与工程学院刘明教授团队提出了新方案，研发了一种新型压电纳米发电复合薄膜的构筑方法。采用了水溶牺牲层技术和热压转印工艺，将自支撑BaTiO3单晶薄膜与聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物（PVDF-TrFE）复合，形成三明治结构，该结构在挠曲电效应和压电效应的协同作用下展现出了优异的能量收集性能。这一研究成果是基于团队首次发现自支撑铁电单晶氧化物薄膜的超柔-超弹性研究，自支撑BaTiO3单晶薄膜的超柔-超弹性使其在弯曲状态下仍保持优异的挠曲电和压电特性。在弯曲模式下，该复合薄膜形成的压电能量收集器产生的电压高达15.1V，电流达到2.39μA，功率密度为17.33μW/cm2，这一性能相较于纯PVDF-TrFE提高了8.8倍。耐久性测试表明，经过2000次的弯曲循环后，该设备仍能维持大约15V的稳定输出，有望为可穿戴设备提供长期稳定的电力来源。该复合结构的成功构筑，为开发基于自支撑功能氧化物薄膜材料的柔性信息存储、智能传感、光电探测等新型柔性功能器件的研发提供新思路。
该研究成果以《自支撑单晶钛酸钡薄膜和偏氯乙烯-三氟乙烯的复合高性能压电能量收集器》（Enhanced Piezoelectric Energy Harvester by Employing Freestanding Single-crystal BaTiO3Films in PVDF-TrFE Based Composites）为题在国际著名学术期刊《先进功能材料（Advanced Functional Materials）》（IF=19.0）发表。西安交通大学电子科学与工程学院博士生彭若波和张步同为共同第一作者，通讯作者为刘明教授和董国华特聘研究员。该研究成果的发表，推动了自支撑铁电单晶氧化物薄膜在柔性电子领域的应用，不仅证实了材料创新和结构设计在提升器件性能方面的巨大潜力，也为开发新型柔性电子器件提供了新思路。
该研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目资助。论文的表征及测试得到了西安交通大学分析测试共享中心的支持。
刘明教授团队主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/mingliu/liu-group
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202316519
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