基于柔性自供电Ⅲ族氮化物pin光电化学压电光电子学的渐进机械形变识别器件

研究人员针对传统压电纳米发电机对缓慢形变响应不足的问题，创新性地构建了基于剥离Ⅲ族氮化物pin膜结构的固态电解质柔性压电光电子学光电化学探测器（PEC PD）。通过InGaN单量子阱插入GaN pn结，扩大耗尽区以削弱载流子屏蔽效应，同时利用量子限制斯塔克效应（QCSE）调控载流子传输。实验表明，器件在凸/凹弯曲状态下光电流分别增加/减少，实现了对缓慢形变的精准识别。该微型化蓝牙互联设备为复杂工况下的应变测量提供了新方案，推动了可穿戴电子技术的发展。

　　

在柔性电子和可穿戴设备快速发展的今天，传统压电器件面临一个关键瓶颈：它们对快速机械运动高度敏感，却难以检测缓慢形变或静态变形。这一局限严重制约了其在结构健康监测、人体运动追踪等需要长期稳定感知的应用场景。压电纳米发电机虽然能通过电荷重分布产生瞬时电信号，但其输出依赖于应变变化速率，且易受载流子屏蔽效应影响。如何突破这一物理限制，开发能响应准静态形变的柔性器件，成为材料科学和电子工程领域的重要挑战。

南京大学等机构的研究人员独辟蹊径，将Ⅲ族氮化物（GaN/InGaN）的压电特性与光电化学探测技术相结合，设计出具有渐进形变识别能力的柔性器件。这项发表在《Materials Today Advances》的研究，通过精巧的能带工程和固态电解质集成，实现了对机械形变的静态响应，为智能传感开辟了新路径。

研究团队主要采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长p-GaN/i-InGaN/n-GaN单量子阱结构，通过选择性电化学刻蚀技术将功能层从蓝宝石衬底剥离并转移至柔性PET基底，再结合聚乙稀醇/磷酸盐缓冲液（PBS/PVA）固态电解质封装成微型化光电化学探测器。采用便携式电化学工作站进行光电响应测试，并利用Silvaco TCAD软件模拟能带结构变化。

3.1 Ⅲ族氮化物结构表征与柔性PEC探测器构建
通过X射线衍射（XRD）和高分辨透射电镜（HRTEM）证实了InGaN/GaN单量子阱的优异晶体质量，拉曼光谱显示电化学剥离后薄膜残余应力释放0.995 GPa。这种低缺陷密度的pin结构为后续压电调控奠定了材料基础。

3.2 柔性PEC光电探测器的光电响应特性
器件在365 nm光照下表现出14.74 μA cm^?2
的饱和光电流密度，响应度达20.47 mA W^?1
（0.5 mW cm^?2
），响应/衰减时间为70/65 ms。固态电解质封装使体积缩减至传统液态电解池的百分之一，且经过1800秒测试保持稳定，性能优于同类固态电解质PEC探测器。

3.3 静态机械应变对光电响应的调控
凸弯曲（-5.3%应变）使光电流提升41%（20.80 μA cm^?2
），而凹弯曲则降低响应。428 nm光激发量子阱的实验进一步验证：应变通过改变量子限制斯塔克效应（QCSE）强度调控载流子分离效率，这与能带模拟结果高度吻合。

3.4 压电光电子学调控机制解析
研究揭示了双界面协同调控机制：在Ti/n-GaN界面，压电极化电荷降低接触势垒促进电子输出；在p-GaN/电解质界面，能带弯曲程度变化调控空穴注入效率。对比实验显示，普通n型GaN探测器因载流子屏蔽效应无法实现双向响应，而pin结构通过耗尽区扩大有效保留了压电极化电荷的调控能力。

这项研究通过能带工程与器件构型的创新，首次实现了Ⅲ族氮化物压电光电子学对静态机械形变的灵敏响应。固态电解质集成方案解决了传统光电化学探测器的体积瓶颈，蓝牙互联设计则提升了实用便捷性。该技术为桥梁、飞机等大型结构的长期健康监测提供了新思路，也为开发新一代自供电柔性电子皮肤开辟了道路。特别值得注意的是，通过量子阱能带裁剪与压电耦合的协同设计，研究者突破了传统压电器件"重动态、轻静态"的局限，这种物理机制创新可能启发更多多功能耦合器件的开发。