基于摩擦电效应的超低压机械运动调控铁电极化反转及其神经形态应力系统应用

本研究针对传统铁电材料极化反转需吉帕级高压力的瓶颈问题，创新性地利用摩擦电效应(Triboelectric effect)实现α-In2Se3铁电存储器在~10 kPa超低压下的可逆极化切换，构建了具有多级电阻态的神经形态应力系统，为开发人机交互界面提供了新范式。

　　

铁电材料因其独特的自发极化特性在信息存储领域具有重要应用价值，传统通过电场调控极化的方式存在能耗高、响应慢等局限。近年来，机械力调控铁电极化因其非接触控制优势备受关注，但现有基于压电响应力显微镜(PFM)探针的局域应变梯度法需要施加吉帕级超高压力，严重制约实际应用。如何实现类似人类触觉感知的千帕级低压调控，成为发展仿生电子皮肤和智能机器人的关键瓶颈。

针对这一挑战，中国研究人员在《SCIENCE ADVANCES》发表创新成果，提出利用摩擦纳米发电机原理实现α-In₂Se₃铁电存储器超低压机械开关的新策略。研究团队通过精巧设计滑动式、按压式和单电极式三种摩擦电单元，将机械运动转化为电脉冲信号，成功在创纪录的1-10 kPa低压范围内实现铁电极化的可逆切换，并构建出具有多级电阻态的神经形态应力系统。

关键技术方法包括：1）机械剥离法制备50 nm厚α-In₂Se₃纳米片器件；2）双交流共振追踪(DART)模式原子力显微镜原位表征极化状态；3）三种模式摩擦电单元（PTFE/Cu材料体系）的应力-电压转换测试；4）脉冲激光沉积法制备BiFeO₃对比样品。

【机械切换铁电极化】研究团队首先构建滑动式摩擦电单元与α-In₂Se₃忆阻器集成系统。通过接触起电和静电感应效应，机械滑动产生0-80 V可调电压脉冲，成功诱导器件电阻状态变化。压电力显微镜相位成像显示，正向连接时相位响应增强（极化向上），反向连接时减弱（极化向下），证实摩擦电效应可全局调控铁电极化。

【神经形态应力器件】采用拱形按压式摩擦电单元构建仿生应力系统，实现压力-电阻的线性响应。在0.5 N机械力刺激下，器件展现出类似生物突触的长时程增强(LTP)和抑制(LTD)特性。将实验数据导入28×28像素手写数字识别神经网络，训练100次后识别准确率达93.6%，证实其在神经形态计算中的应用潜力。

【手指触控极化反转】创新的单电极模式设计使人类手指触控（约1-10 kPa）即可实现极化反转。通过交替切换电路连接方向，五次连续触控成功诱导电阻状态的可逆变化，其所需压力比传统方法降低五个数量级。

该研究突破性地将摩擦电效应与铁电存储器相结合，不仅实现迄今最低机械压力的极化调控，更开创性地构建出集应力感知、信息存储与神经形态处理于一体的多功能系统。这种仿生设计策略为开发下一代人机交互界面、电子皮肤和智能机器人触觉系统提供了新思路，同时为铁电器件在物联网和人工智能领域的应用开辟了新途径。研究还证实该方法可推广至BiFeO₃等其他铁电材料体系，展现出良好的普适性。