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柔性自供电运动传感器通过InN纳米线涂覆WS?纳米片有效降低电荷屏蔽效应，输出电压达21.2V，较未涂层器件提升2.8倍，具备应用于可穿戴设备与健康管理系统的潜力。
Seunghwan Jhee|Jaehyeok Shin|Sumin Kang|Chang Kyu Jeong|Siyun Noh|Nam-In Kim|Jae-Hyun Ryou|Jin Soo Kim
摘要
柔性运动传感器被认为是新兴技术和医疗保健系统中人机界面（HMI）的关键组成部分。传统运动传感器的性能通常需要外部电源支持，为了实际应用，其性能仍有进一步提高的空间。在本研究中，我们展示了使用涂有二硫化钨（WS2）纳米片（WS-NShs）的InN纳米线（NWs）制造的自供电柔性运动传感器（PMSs）。由于WS-NShs的功函数高于InN NWs，因此有助于将载流子从NWs传输到电极，从而增强PMSs的输出信号。未经WS-NShs涂层处理的InN NWs基PMSs在没有外部电源的情况下输出电压为21.2 V，而涂有0.6纳米厚WS-NShs的PMSs输出电压是前者的2.8倍，这一数值远高于以往的报道。此外，这些PMSs对弯曲应变和频率具有很高的敏感性，并且在运行时间、相对湿度和循环弯曲条件下表现稳定。在实际测试中，将PMSs附着在手指、手腕和膝盖上，测量结果显示这些设备能够有效追踪人体运动，具有在HMI系统和健康监测技术中应用的潜力。
引言
运动传感器已成为机器人技术和物联网等新兴技术中人机界面的关键组成部分。这些设备也被期望为医疗保健技术提供新的平台，例如用于诊断退行性疾病和康复的应用[1]、[2]。运动传感器可用于分析肌肉或关节的运动，因此对康复治疗或提高运动技能非常有用[3]、[4]。然而，以往报道的运动传感器都需要外部电源。这增加了它们的体积，并且需要定期充电，因此不适合用于可穿戴和便携式设备[5]。为了解决这些问题，基于热电[6]、[7]、[8]、摩擦电[9]、[10]、电容[12]、[13]和压电[15]、[16]效应的自供电运动传感器受到了广泛研究。传统的铅基陶瓷材料（如锆钛酸铅（PZT）因其优异的压电性能和成本效益而被广泛用于运动传感器[17]、[18]、[19]。然而，由于铅对人体有害且对环境有负面影响，它们不适合实际应用中的可穿戴和便携式设备[20]、[21]。最近，人们开始探索柔性且生物相容性的压电聚合物，特别是聚偏二氟乙烯（PVDF）基材料[22]。例如，Zhao等人报道了一种使用聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯）薄膜制造的压电运动传感器（PMS）；然而，其输出电压（15 mV）仍不足以满足实际使用需求[16]。此外，还提出了通过设计界面结构和采用多功能架构来促进载流子向电极传输的方法，以提升柔性传感器的性能[23]、[24]、[25]、[26]。
近年来，III族氮化物半导体因其内在的自发极化和压电极化潜力而受到广泛关注，这种极化源于它们不对称的晶体结构[27]。特别是InN纳米线（NWs）因其优异的压电性能、低杨氏模量和生物相容性而被认为是PMSs的理想材料[28]、[29]。然而，由于InN NWs具有本征的n型导电性，其中存在自由电子[30]。这些自由电子会降低压电极化，即所谓的电荷屏蔽效应（CSE）[31]，从而降低InN NWs的压电性能。为了解决这个问题，人们采用了掺杂或聚合物涂层等方法[32]、[33]。然而，掺杂InN受到强残余n型特性、表面电子积累和自补偿效应的限制，这些因素阻碍了载流子密度的独立调节[34]。聚合物涂层主要用于表面钝化或结形成，而非工程化界面电子结构[35]。二硫化钨（WS2）是一种层状材料，其能带隙和功函数显著依赖于厚度[36]、[37]。基于此，我们假设用WS2纳米片（WS-NShs）涂层InN NWs可以利用后者的较高功函数，促进电子从NWs向电极的传输，从而降低自由电子密度并减轻CSE效应。
在本研究中，我们通过改变WS-NShs的功函数来控制InN NWs的界面电子结构。结果，通过减少CSE效应并促进载流子从NWs向电极的传输，显著提高了PMSs的性能。我们将这些发现与CSE效应对WS-NShs功函数的依赖性联系起来，这取决于WS-NShs的厚度。此外，我们还研究了NW长度、弯曲半径、频率、运行时间和相对湿度（RH）以及循环弯曲对设备性能的影响。
实验细节
实验方法
InN纳米线是在p型Si(111)衬底上使用等离子辅助分子束外延技术并加入铟预沉积方法生长的，具体细节见补充信息（SI）中的图S1。InN纳米线的生长过程已在我们的先前报告中详细讨论[38]。不同长度的InN纳米线的场发射扫描电子显微镜（FE-SEM；Hitachi S-4700，安装在全北国立大学未来能源融合核心中心）图像见SI中的图S2。
WS-NShs的制备过程...
结果与讨论
图2a显示了生长在Si(111)衬底上的InN纳米线的横截面FE-SEM图像，插图展示了其平面形态。InN纳米线的平均宽度为101.2±2.3纳米，长度为1210.5±5.6纳米。纳米线的空间密度计算为7.8 ×109厘米-2。图2b显示了InN纳米线的XRD摇摆曲线。28.4°、31.5°和65.5°的衍射峰分别对应Si(111)、InN(0002)和InN(0004)晶体结构。
结论
总结来说，我们成功制备了使用涂有WS-NShs作为活性介质的自供电柔性PMS设备。PMS的工作原理是利用InN纳米线在机械变形过程中产生的压电势诱导的自由电子运动。WS-NShs的涂层具有比InN NWs更高的功函数，有助于将自由电子从NWs传输到WS-NShs，从而有效降低内部自由电子密度。
作者贡献声明
Seunghwan Jhee：撰写初稿、进行研究、进行正式分析、数据管理。Jaehyeok Shin：进行研究、进行正式分析。Siyun Noh：进行正式分析、数据管理。Nam-In Kim：软件开发、数据管理。Sumin Kang：进行研究、进行正式分析。Chang Kyu Jeong：进行研究、进行正式分析。Jae-Hyun Ryou：软件开发、数据管理。Jin Soo Kim：撰写文本、审稿与编辑、项目监督、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的“Global-Learning & Academic Research Institution for Master’s·Ph.D. students and Postdocs (LAMP) Program”项目的资助（项目编号RS-2024-00443714），该项目由教育部资助；同时得到了韩国政府（项目编号RS-2023-NR076703）、贸易工业能源部（MOTIE）和韩国技术进步院（KIAT）通过“支持中型市场企业”计划的联合资助。
Seunghwan Jhee：Jhee先生在韩国全北国立大学获得了电子与信息材料工程硕士学位，目前在同一领域攻读博士学位。他的研究兴趣包括III-V族半导体的生长和压电传感器的开发。
