哈工大（深圳）研发超高功率密度柔性压电纳米发电机，引领柔性电子新突破

摘要：在现代电子设备不断追求小型化、轻量化、可穿戴和可植入的趋势下，柔性电子系统的能源问题日益凸显。尽管纳米技术推动了设备的小型化发展，但像可穿戴医疗设备和植入式器械等，依然面临能源供应难题，频繁充电或更换电池极为不便。从环境中收集能量成为解决这一问题的关键方向，其

在现代电子设备不断追求小型化、轻量化、可穿戴和可植入的趋势下，柔性电子系统的能源问题日益凸显。尽管纳米技术推动了设备的小型化发展，但像可穿戴医疗设备和植入式器械等，依然面临能源供应难题，频繁充电或更换电池极为不便。从环境中收集能量成为解决这一问题的关键方向，其中，利用人体活动产生的生物机械能，如行走、呼吸、心跳等，因其清洁、可持续且取之不尽的特点备受关注，压电纳米发电机（PENG）则是实现机械能转化为电能的重要技术路径。由于传统的铁电陶瓷压电性能优异，却缺乏柔韧性；压电聚合物虽柔韧性高，但压电性较低，因而研发兼具高压电性和出色柔韧性的材料成为科研重点。

为了解决这一问题，哈尔滨工业大学（深圳）柔性印刷电子技术深圳市重点实验室魏军、陈祖煌团队利用晶体取向调控和水刻蚀牺牲层技术解除衬底应力，在(111)取向的自支撑PbZr0.52Ti0.48O3单晶薄膜中获得了585pm/V的高压电系数，在单晶薄膜中实现了高压电性和出色柔韧性。此外，基于该薄膜构建的纳米发电机展现出令人瞩目的性能：输出功率密度创纪录地达到63.5 mW/cm3，超过此前报道的基于多晶薄膜和聚合物复合材料的 PENG 设备；柔韧性极佳，应变容限超过 3.4%，能适应各种复杂的弯曲变形；机械稳定性优越，在超过 60,000 次的循环测试中表现稳定，展现出良好的耐用性。该研究以题为“Ultrahigh-power-density flexible piezoelectric energy harvester based on freestanding ferroelectric oxide thin films”发表在最新一期《Nature Communications》上。

图1. 可视化呈现自支撑PZT薄膜的晶体去向调控策略与器件设计原理

这项研究工作中通过多种先进技术对自支撑 PZT 薄膜进行了全面深入的结构分析与极化翻转动力学表征，并发现薄膜从衬底释放后，晶格结构发生变化，向与体相类似的单斜相转变，这一转变显著增强了介电和压电响应。原子分辨率的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）分析表明，自支撑薄膜的极化分布发生改变，极化矢量方向偏离方向，更多地分布在单斜相区域，进一步证实了结构变化对性能提升的关键作用。极化翻转动力学发现自支撑薄膜在高电压下极化翻转由两步变一步，极化翻转速度变快，这进一步引起了材料压电性的提高。

图2 刚性与自支撑PZT薄膜电学性能比较，自支撑薄膜获得了压电性恢复

图3 基于(111)取向薄膜的柔性压电能量收集器的电学性能

在 PENG 设备性能测试中，作者进行了多项实验，通过切换极性测试，验证了电信号源自压电 PbZr0.52Ti0.483薄膜；系统改变弯曲角度，发现开路电压随应变率增加而升高。将设备附着在人体不同部位和机械设备进行动态信号测试时，在手指、手腕和肘部弯曲时均能稳定输出电压和电流信号，测试得到最大开路电压可达 12V。此外，该设备的最大瞬时输出功率密度达到 63.5 mW/cm3总结：作者采用晶体去向调控结合水刻蚀牺牲层技术获得兼备高压电性和出色柔韧性的柔性自支撑PbZr0.52Ti0.483单晶薄膜，并基于此优异材料制备了具备优异输出性能的柔性PENG。该研究成果不仅在基础研究层面深化了对铁电氧化物薄膜性能调控的理解，更在实际应用领域展现出巨大潜力。它为高性能柔性电子设备的发展开辟了新方向，有望推动可穿戴设备、便携式电子设备以及植入式医疗设备等领域的变革性发展。