深大董蜀湘團(tuán)隊(duì)與合作者 Mater. Today綜述：3D打印柔性壓電電子和實(shí)現(xiàn)功能多樣化

來(lái)源： 高分子科技

柔性壓電電子學(xué)是一門(mén)快速發(fā)展的新興學(xué)科，涉及有機(jī)/無(wú)機(jī)功能材料、電子器件設(shè)計(jì)、及其集成制備，具備感知和能量采集功能，可滿足個(gè)性化、可穿戴、物聯(lián)網(wǎng)以及多功能需求。

近日，深圳大學(xué)高等研究院董蜀湘、慈鵬弘團(tuán)隊(duì)，以及北京大學(xué)青年教師袁小婷博士等，在國(guó)際材料領(lǐng)域頂刊《Materials Today》上發(fā)表綜述文章，總結(jié)了他們?cè)谌嵝詨弘婋娮雍?D打印制備方面的最新研究成果，同時(shí)也概述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這一領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展，旨在比較全面的總結(jié)各種柔性壓電材料、制備與器件應(yīng)用，包括它們的晶體結(jié)構(gòu)與分類(lèi)、壓電性能比較、壓電效應(yīng)產(chǎn)生起源、增強(qiáng)機(jī)制與方法，以及概述柔性壓電電子的3D打印制備，討論柔性電子器件在能量采集與感知方面的各種應(yīng)用。

圖1. 概述3D打印制備柔性壓電電子，包括材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，器件集成打印過(guò)程以及應(yīng)用.

文章將柔性壓電材料總結(jié)為兩大類(lèi)：（1）有機(jī)壓電聚合物及其復(fù)合材料，（2）無(wú)機(jī)壓電與高分子的復(fù)合材料。在壓電性能增強(qiáng)機(jī)理方面，總結(jié)了材料改性方法，包括有機(jī)共聚物摻雜方法，諸如引入三氟乙烯、六氟丙烯、三氟氯乙烯等單體，引入空間位阻，來(lái)增強(qiáng)壓電效應(yīng)和機(jī)電耦合，或者增強(qiáng)鐵電弛豫性；無(wú)機(jī)納米材料摻雜方法，諸如鐵電性、鐵磁性、半導(dǎo)體納米摻雜填料，以及導(dǎo)電性納米材料摻雜等，引入極性或者電荷中心來(lái)強(qiáng)化壓電效應(yīng)。同時(shí)總結(jié)了壓電復(fù)合材料制備過(guò)程中的電場(chǎng)效應(yīng)、磁場(chǎng)效應(yīng)，對(duì)誘導(dǎo)壓電材料中壓電晶相的轉(zhuǎn)變、改善壓電性能所產(chǎn)生的作用。

文章還概述了不同類(lèi)型的柔性壓電器件及其設(shè)計(jì)方法，總結(jié)了可用于柔性電子器件制備的各種3D打印技術(shù)，包括選擇性立體光刻、噴墨打印、墨水直寫(xiě)打印和熔融沉積成型等，并分析了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。文章進(jìn)一步討論了3D打印柔性壓電電子器件與功能多樣化，以及在智能可穿戴電子、柔性電路、物聯(lián)網(wǎng)和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域的典型應(yīng)用實(shí)例。

圖2 . (a) 激光立體光刻技術(shù)打印 (SLA) 的無(wú)線自感應(yīng)拳擊手套，(b) SLA制備的無(wú)鉛壓電陶瓷BaTiO3.

圖3 . (a) 噴墨打印BaTiO3能量收集器, (b) 集成感應(yīng), 驅(qū)動(dòng)和能量收集的PVDF-TrFE多功能平臺(tái)。

圖4 . (a) 通過(guò)直接墨水打印方法制備的高性能柔性壓電納米發(fā)電機(jī), (b) 直接墨水?dāng)D出3D打印的BaTiO3功能陶瓷, (c)直接墨水?dāng)D出打印制備的橄欖球型多層能量收集器.

圖5 . 應(yīng)用于自供電感知.

圖6 . 應(yīng)用于智能穿戴.

圖7 . 應(yīng)用于生物醫(yī)療.

文章也介紹了課題組的最新發(fā)現(xiàn)：高能取向應(yīng)力場(chǎng)可以誘導(dǎo)PVDF共聚物從無(wú)序、星狀納米晶，轉(zhuǎn)變?yōu)橛行�、纖維鏈狀納米晶，并表現(xiàn)出自極化特征，無(wú)需后續(xù)的高電壓極化，就顯示出相當(dāng)?shù)膲弘娕c機(jī)電耦合特性。此外，介紹了多材料3D打印技術(shù)直接制造多層共聚物，獲得了高達(dá)130 pC/N的壓電系數(shù)；制備的柔性橄欖球結(jié)構(gòu)壓電電子，獲得2.2倍、10倍更高的壓電電壓輸出和電流輸出。

文章最后展望了3D打印柔性壓電電子的未來(lái)發(fā)展，探討了進(jìn)一步提高柔性材料壓電性能、機(jī)電耦合效應(yīng)的途徑與策略；討論了進(jìn)一步改善3D打印柔性壓電電子的工藝路徑、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，以及拓展柔性壓電電子的應(yīng)用領(lǐng)域等。文章也指出了柔性壓電電子的未來(lái)發(fā)展中可能遇到的挑戰(zhàn)。

本綜述文章介紹的知識(shí)和方法，以及提出的觀點(diǎn)，希望對(duì)從事該領(lǐng)域的研究生、研究人員以及工程技術(shù)人員，提供參考性指導(dǎo)；也為智能社會(huì)的未來(lái)發(fā)展做出學(xué)術(shù)方面的貢獻(xiàn)。

這一成果近期在線發(fā)表在《Materials Today》（影響因子：24.2，中科院一區(qū)，TOP期刊）上，題目為“A 3D-printing approach toward flexible piezoelectronics with function diversity”, doi: 10.1016/j.mattod.2023.08.023）。論文第一作者為北京大學(xué)工學(xué)院青年教師袁小婷博士，論文第二作者為深圳大學(xué)高等研究院2022級(jí)碩士生麥梓鋒，董蜀湘教授和慈鵬弘研究員為本文共同通訊作者。

原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1369702123002791

董蜀湘教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于壓電材料、磁電材料，以及壓電微機(jī)電方面的研究。柔性壓電電子是團(tuán)隊(duì)近幾年發(fā)展的研究方向之一。課題組針對(duì)柔性功能電子器件及系統(tǒng)直接3D打印成型的需求，研發(fā)了3D打印制造中的核心部件，掌握3D打印漿料制備方法。設(shè)計(jì)制備的柔性壓電電子器件，在微能源采集、自供電傳感、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域中具有很大應(yīng)用潛力。近幾年在基于3D打印的柔性壓電材料與器件領(lǐng)域取得了系列進(jìn)展，發(fā)表了系列高水平文章，包括Energy & Environmental Science. 13 (1) (2020) 152-161; Nano Energy. 73 (2020) 104737; Nano Energy. 85 (2021) 105985.; Nano Energy. 98 (2022) 107340，等。