【成果】于连栋教授团队在飞秒激光微纳加工柔性压电传感器件领域取得新进展

近日，我院于连栋教授团队在飞秒激光微纳加工柔性压电传感器件方面取得进展，相关研究成果《Enhanced Output Performance of NaNbO₃/P(VDF-TrFE)-Based Piezoelectric Nanogenerators by Femtosecond Laser Surface Modification for Bioenergy Harvesting and Human Motion Monitoring》发表在《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》。《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》是化学领域的国际知名期刊，影响因子为7.3（SCI一区Top）。论文第一作者为精密测量与测控仪器专业2023级博士研究生刘月圆，通讯作者为于连栋教授和王飞飞副教授，太阳集团tyc234cc为唯一署名单位和通讯单位。该研究得到国家自然科学基金和国家重点研发计划项目的联合资助。

图1 论文首页

物联网技术（IoT）的广泛应用促进了电子设备的小型化和智能化发展，同时也给微能量的有效采集和自供电设备优化带来了重大挑战。在此，团队提出基于飞秒激光表面改性制备NaNbO₃/P(VDF-TrFE)基压电纳米发电机（NP-PENG）用于生物能量采集和人体运动监测。在本研究中，我们通过液相脉冲激光烧蚀方法合成NaNbO₃纳米颗粒，利用飞秒激光表面改性处理改变P(VDF-TrFE)基复合材料相结构，进而建立纳米颗粒填充与激光精密控制的协同系统，实现从晶相演变、精密调控到结构稳定三个维度的β相含量提高。经过飞秒激光处理后，柔性P(VDF-TrFE)基和含5 wt % NaNbO₃/P(VDF-TrFE)基NP-PENG的输出潜力分别可达到26.1 V（提高36%）和40 V（提高52%）。此外，NP-PENG在循环机械应力下表现出极好的稳定性，可持续3000秒，并成功点亮20个LED灯。通过将NP-PENG附着在人体的不同部位，不仅可以精确感知人体运动状态，还能实时监测输出电压的变化。本研究提出的飞秒激光加工与纳米填料工程的协同耦合，显著提升NP-PENG输出性能，为研发兼具高能量转换效率与优异机械耐久性的柔性压电传感器件提供了可扩展方案，也为下一代智能运动监测和人机界面系统开辟了新的可能性。

图2 基于飞秒激光表面改性的NP-PENG原理及应用

论文全文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.5c12562