【期刊】利用劈裂碳纳米管中挠曲电场驱动的Fano共振实现退耦合多功能传感 | Research

近期，由中国海洋大学、北京航空航天大学、河北大学以及中国台北应用科学研究中心合作设计了一种以蜘蛛腿部的器官结构为灵感的柔性多功能传感器件，相关研究以“Flexoelectricity Driven Fano Resonance in Slotted Carbon Nanotubes for Decoupled Multifunctional Sensing”为题，发表在Research上。

Citation: Jinlong Ren, Yingchao Liu, Xingqiang Shi, Guangcun Shan, Mingming Tang, Chaocheng Kaun, Kunpeng Dou, "Flexoelectricity Driven Fano Resonance in Slotted Carbon Nanotubes for Decoupled Multifunctional Sensing", Research, vol. 2021, Article ID 9821905, 9 pages, 2021. https://doi.org/10.34133/2021/9821905

研究背景

柔性电子器件的兴起促进了人工智能和物联网的发展，基于皮肤仿生学的多功能传感是其中一个重要应用方向，多功能模式的一个核心问题是不同信号之间的干涉，有两种主要途径来应对这类问题：

1）2020年Science报道了利用离子导体的电荷弛豫时间和归一化电容可同时不相干的识别触觉刺激和温度；

2)将新颖仿生结构引入纳米材料，利用纳米尺度下的量子效应是本研究的出发点。

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研究进展

由中国海洋大学，北京航空航天大学，河北大学以及中国台北应用科学研究中心合作设计了一种柔性多功能传感器件，如图1(a)所示，器件核心单元为碳纳米管劈裂结，参考了蜘蛛腿部的器官结构。其中图1(a)为基于仿生学的碳纳米管劈裂结作为柔性多功能传感器件核心单元；图1(b1)-(b2)为力学形变在碳纳米管劈裂结中引入挠曲电场，有别于普通静电场的施加方式；图1(c1)-(c2)为挠曲电场产生Type I Fano共振，普通电场产生Type II Fano共振，Fano有效因子(t_eff)反映了不同路径前线轨道能级的劈裂大小。

图1 新型柔性多功能传感器件及其性能示意图

这种概念器件有以下3个创新点：

1) 新颖的信号转化机制。以往柔性器件对外部力学刺激的信号主要转换为电流电阻变化，本工作提出了挠曲电效应驱动的Fano共振现象作为该器件核心的信号转化机制，如图1(b1)和(c1)所示。

2) 温度和触觉信号退耦合读出。如图2(a)和(b)所示，力学信号来自Fano有效因子的变化，温度通过劈裂结的塞贝克系数读出，反映了劈裂结本身的成键特性，两种物理信号几乎不相干，保障了温度触觉同时的准确测量。

图2  传感器件的弯折形变和温度分别只对(a)Fano有效因子(t_eff)和(b) 塞贝克系数(S)敏感响应

3) 单分子检测。单分子吸附的化学门控与力学形变产生的挠曲电门控，两者叠加后，劈裂结Fano有效因子的变化可用来准确区分三种典型的不同类型分子：得电子类型、失电子类型和惰性类型，如图3所示。

图3 来自单分子吸附的化学门控以及力学形变产生的挠曲电门控两者的叠加，导致劈裂结前线轨道相应Fano有效因子(t_eff)的变化，可实现三种典型不同类型分子的精准区分

所有结论均通过解析模型和原子尺度模拟的双重验证。通过碳纳米管劈裂结的电子透射谱提取的信号可清楚定量的给出温度，触感和吸附分子的信息。

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未来展望

本研究设计了一种基于量子效应的多功能柔性传感器件，并联结构的设计方式来自于蜘蛛腿部器官。由于该器件可良好响应高度局域压力形变，低温变化以及稀薄气体分子的吸附，此类柔性传感器设计方案可适用于航空航天领域的传感性能改进。

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作者简介

石兴强，河北大学物理与科学技术学院教授，长期从事低维度体系及其表面和界面的计算研究，主要包括：分子电子学/自旋电子学、二维半导体及器件，以及储能/催化等研究。已发表包括Phys. Rev. Lett.、J. Am. Chem. Soc.、Phys. Rev. B、J. Mater. Chem. A、Chem. Mater、New J. Phys. 等在内的SCI论文100余篇。

单光存，北京航空航天大学教授、博导。2004年本科毕业于西安交通大学电信工程学院，2013年博士毕业于香港城市大学，其中2012年赴美国哥伦比亚大学联合培养访问学者；2013-2014年，德国马克斯-普朗克固体化学物理研究所博士后。长期从事信息功能合金材料与器件、传感器技术研究，主持国家重点研发计划课题2项、工信部5G专项项目、教育部产学合作课题等。已发表在包括Phys. Rev. Lett.、APL、npj CM、Nanoscale、PCCP 等在内的SCI期刊论文100余篇，其中ESI高被引论文3篇。近年来荣获2018香港王寬誠教育基金会奖励资助以及2019全国高校人工智能大数据“人物创新奖”、2019中国产学研合作创新奖、2020年全国新基建教育教学研讨会优秀论文奖、Frontiers of Physics Outstanding Paper Awards 2020、北京航空航天大学优秀教学成果奖并被北京民建市委授予“抗击新冠肺炎疫情先进个人”称号等。

豆坤鹏，中国海洋大学物理与光电工程学院副教授，主要研究领域为功能纳米材料的第一性设计和分子器件的电子输运等。在NPG Asia Materials，Advanced Functional Materials, Nano research, Nanoscale, ACS Applied Materials & Interfaces,Journal of Materials Chemistry C等学术期刊上以一作或通讯(含共同)发表多篇论文。

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扩展阅读

 

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