中科院金屬所《Nature》子刊：柔性單通道多功能熱電半導體傳感器件研究重要新進展

近年來，微型化、柔性化、智能化等多功能集成電子器件在人工智能、生物醫療、集成電路等領域取得了顯著的發展。其中，能夠同時感知觸覺和溫度的柔性應力/應變-溫度傳感器，因其在電子皮膚、柔性傳感器等發展中的關鍵作用而受到廣泛關注。傳統的應力/應變-溫度傳感器的設計策略主要是將兩種具有應力/應變和溫度傳感功能（熱電/熱釋電和壓電/壓阻效應等）的材料集成構建成疊層結構的傳感器件。然而，此類器件通常以“一對一”模式運行，結構設計和數據采集復雜，且需要外部電源驅動，其長期穩定監測的可靠性不佳。此外，大多數關于應變傳感的研究往往忽視了應變率傳感（施加應變的速率）的重要作用，這是動態場景中的關鍵因素。即使在相同的應變大小下，由于應變和應變率相互耦合，應變率的變化也會顯著影響材料的應變響應特性。傳統傳感器無法通過單一材料和簡單結構來實現對多參數變量的實時監測，既實現材料的多功能化傳感具有很大挑戰。

近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心邰凱平研究員帶領團隊研制出一種基于碲納米線（Te-NWs）熱電-壓電耦合效應的柔性、單通道、應變/應變率-溫度多模態傳感器。研究人員通過材料調控和結構設計克服了以往傳統熱電材料中熱電和壓電信號無法在同一方向獲得的難題，在傾斜生長的特殊網狀Te-NWs結構中，實現了壓電信號和熱電信號在面外方向的同時感知和輸出。傳感器具有優異的性能，應變傳感靈敏度為0.454 V、應變率傳感靈敏度為0.0154 V s、溫度傳感靈敏度達225.1 μV K-1，優于已報道的同類多模態傳感器。同時，結合第一性原理計算，證明了Te原子電荷的變化引起的壓電效應，以及外部電場（如熱電勢等）對于壓電信號的調制作用機制。該工作為基于多物理場耦合效應構建柔性、單通道、多模態傳感器提供了新思路，也為耦合“納米發電機”開辟了新的應用方向。

相關研究結果以“Simultaneous strain, strain rate and temperature sensing based on a single active layer of Te nanowires”為題，于2025年11月28日發表在《Nature Communications》期刊上。金屬所博士研究生曾豪為論文第一作者，邰凱平研究員、于治副研究員為論文共同通訊作者，該工作也獲得了山東大學和季華實驗室合作團隊的大力支持。該研究成果得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、遼寧省重點研發計劃和沈陽材料科學國家研究中心專項基金的資助。

圖1. 柔性單通道應變/應變率-溫度多模態傳感器件設計和顯微結構特征

圖2. 柔性單通道應變/應變率-溫度多模態傳感機制

圖3.應變/應變率-溫度多模態傳感器件性能測試曲線

圖4.柔性單通道應變/應變率-溫度多模態傳感器件應用演示驗證

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。

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