面向人机交互智能设备的压电与铁电薄膜研究最新进展

《Materials Today Physics》：Recent Progress on Piezoelectric and Ferroelectric Films for Human-Machine Interactive Smart Devices

　　

摘要：

人机交互与协作（HMI）是工业5.0革命的核心组成部分，该革命旨在构建一个节能、可持续且更环保的社会。融合智能的人机交互设备在生物医药、工业、消费电子及其他领域发挥着至关重要的作用，这些设备由多种功能材料以体相、厚膜和薄膜等形式构建而成。在众多材料中，压电材料（即机械能与电能相互转换，PE）和铁电材料（即可由电场调控极化方向，FE）因其显著灵敏度、卓越动态刺激响应、超快响应速度、高频检测能力、可贴合性、可穿戴集成特性、轻量化以及自供电能力而在HMI设备研究中备受青睐。然而，通过经济实惠且环保的方法制备高性能、无毒的PE/FE薄膜及其器件仍是一项艰巨的挑战。此外，在保留压电、铁电及介电参数等优异功能特性的同时，实现薄膜的透明性、可贴合性与生物相容性也是另一个关键因素。本文综述了近年来无铅PE/FE薄膜通过多种合成方法的最新进展，并将其功能特性与高性能、有 toxicity 的PZT和PMN-PT薄膜进行了对比。我们同时探讨了有机聚合物、纤锌矿相和钙钛矿相无铅薄膜在未来表面触觉、神经形态系统及其组件、人体神经传感器及各种医疗应用等HMI设备需求方面面临的挑战。

章节片段

引言

工业格局正迅速变革，从以技术为中心的时代（工业4.0）迈向以人为本、价值导向的时代（工业5.0）。(1), (2) 这场转型是在认可和整合工业4.0贡献（自动化、最高效率、数字化、大规模生产）的基础上进行的，同时进一步调整、引导和更新以适配工业5.0的需求（协作、可持续性、创造力）。人机

压电/铁电薄膜的先进特性

高性能、基于钙钛矿相的多晶PZT和PMN-PT薄膜通过射频磁控溅射（RFMS）、脉冲激光沉积（PLD）、溅射（SP）和化学溶液沉积（CSD）技术制备（表2）。(44), (45), (46), (47), (48) 由RFMS制备的2微米厚PZT薄膜表现出较高的横向压电系数（?e_31,f）为14 C/m²，并具有良好的铁电特性，如剩余极化（P_r）为23 μC/cm²和矫顽电场（E_c）

用于表面触觉

触觉技术（即"触觉"）通过将物理学（即通过执行器、传感器和机械装置产生感官刺激）、生物学（即通过机械感受器、解剖结构和神经通路接收信号）和心理学（即通过感知、认知和情感来理解）相结合而有效实现。(64), (65), (66), (67), (68) 该技术通过调节触觉感知刺激，在生物医药、汽车、太空和军事等领域具有广泛的应用，例如

用于神经形态系统及其组件

PE/FE薄膜也已被广泛用于神经形态器件，以利用低功耗神经通信系统模拟人体各部位的生物反应。(27), (83), (84), (85), (86), (87), (88), (89) 图3a展示了天然生物突触（BS）与压电（或铁电）人工神经元-突触（PE-ANS）在器件层结构、工作原理和输出信号特性方面的相关性与对比（表4）。上电极，

用于人体神经传感器

人体神经系统拥有五种主要感官：视觉、听觉、味觉、触觉和嗅觉，以及额外的感官如本体感觉、前庭系统、内感受等。⁸ 每种感官都有其专属的感受器（光感受器、机械感受器、化学感受器、热感受器等）来识别和监测内部/外部刺激变化，并帮助将输入刺激转化为神经元信号。这些信号有助于大脑处理并对每一个

用于其他医疗系统

近年来，PE和FE薄膜已被广泛用于各种医疗应用，如深部脑激活、主动脉环扩大术监测、乳腺肿瘤追踪的深层组织成像、视网膜假体以及高级手语转换系统（手语转语音）等（图5）。这些研究需要高质量的PE和FE薄膜，以及有效可靠的器件以提升精度。此外，平衡电气、机械，

结论与展望

在本综述中，我们考察了PE和FE薄膜的先进功能特性，包括ABO₃钙钛矿、纤锌矿化合物和有机聚合物，通过RFMS、PLD、溅射、CSD和电喷雾等多种制备路线。含铅钙钛矿多晶薄膜（PZT和PMN-PT）在常温下表现出卓越的功能特性，如压电性能（?e_31,f =14至27 C/m²，d_33,f =408 pm V^-1），铁电性能（E_c =25至40 kV/cm，P_r =19至38

CRediT作者贡献声明

裴圭逸：撰写——综述与编辑，项目管理，调查研究，资金获取。纳加马莱什瓦拉·拉奥·阿鲁里：撰写——综述与编辑，撰写——初稿，方法论，调查研究，形式化分析，概念化

未引用参考文献

(77)。

备注

作者声明不存在竞争性财务利益。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作由韩国国家研究基金会（NRF）资助，资金来源于韩国政府（MSIT）（编号：RS-2022-NR069105，RS-2024-00403822）。本工作还得到了庆北大学"全球地方30"项目的支持，该项目由教育部（MOE）资助。

纳加马莱什瓦拉·拉奥·阿鲁里|裴圭逸