基于压电光电子效应的柔性PEDOT:PSS/ZnO纳米线LED阵列的制备及电-光-力性能研究

Functional tactile sensing device is a challenge for next-generation robotics and human-machine interfaces since the emulation of touching requires large-scale pressure sensor arrays with high-spatial resolution, high-sensitivity, and fast-response. In this project, we combine the advantages of organic-semiconductor and the piezo-phototronic effects of ZnO nanowires to solve the problem. Specific studies: 1) Controlling growth of ZnO nanowire arrays on flexible substrates; 2) Preparation PEDOT:PSS/ZnO composite LED devices and study the emission process; 3) Optoelectronics piezoelectric effect to the luminous efficiency of LED devices. By studying the influencing of the luminescent properties, piezoelectric effect, and the relationship between device structure and clarify the carrier balance. It will clarify the piezoelectric effect to the optoelectronics luminous efficiency of the device. These devices may find prospective applications as electronic skins by taking advantage of their high spatial-resolution, flexibility and wide pressure mapping range.

人工触觉传感是人工智能领域的一大难题，大面积柔性高分辨压力传感器阵列研究倍受关注，已有报道的基于氧化锌压电光电子效应的LED压力传感器阵列虽然有高分辨率和快速响应的优点，但也有柔韧性差、仅能探测较高压力范围的缺点。本项目拟将ZnO纳米线的压电光电子效应和PEDOT:PSS的优点相结合，制备出柔性PEDOT:PSS/ZnO异质结LED阵列器件,能较好地解决上述问题。具体研究：1）柔性衬底上阵列化生长ZnO纳米线的影响控制因素；2）PEDOT:PSS/ZnO异质结LED器件的制备及载流子输运、复合的一系列过程的调节；3）压电光电子效应对LED器件发光效率的调节。通过研究压电光电子效应对该阵列器件发光性能的影响，理清器件结构与载流子平衡、发光效率之间的关系，阐明压电光电子效应对该器件发光效率调节方式，并研究其作为柔性应变传感器阵列的应用，为模拟人体皮肤的柔性触觉传感器研究奠定基础。

人工感知一直是人工智能领域的重大挑战，目前人工触觉的研究远远落后于视觉、听觉等，大面积柔性高像素传感器的研究势在必行，其中基于氧化锌压电光电子效应的LED压应力传感器阵列具有超高分辨率和快速响应的优点。本项目针对已有的压电光电子效应压应力传感器不具备柔性、仅能探测较高压力范围的缺陷，将ZnO纳米线的压电光电子学效应和有机半导体 材料的优点相结合，具体研究了：（1）在多种柔性衬底（PET、kapton等）上图案化生长 ZnO及CdS 纳米线阵列的方法，并实现纳米线阵列的参数可调控制生长；（2）研究了PEDOT:PSS/ZnO、PEDOT:PSS/CdS、OLED/ZnO、量子点/ZnO等异质节 LED 器件中载流子的输运、复合过程及对器件发光效率的影响，制备得到高效、多色彩的压电调控LED；（3）研究了压电效应对多种复合LED阵列发光强度和效率的影响，并探索了作为柔性压力传感器的应用，其中最优空间分辨率为1.5μm，远远优于人体皮肤50μm的分辨率；（4）在获得纳米线LED压力传感器的基础上，本项目进一步设计制备了多种新型压力传感器，如纳米摩擦电触觉传感器、石墨烯基压力传感器、喷墨打印制备的复合压力/形变传感器等。本项目的研究通过对该阵列器件发光性能及压电光电子学效应对器件性能的影响，理清器件结构与载流子平衡、发光效率之间的关系，阐明压电光电子学效应对该器件发光 效率调节方式，并研究其作为柔性应变传感器阵列的应用，为模拟人体皮肤的柔性触觉传感器的制备研究奠定基础。本项目的研究成果推动了传感器领域从低分辨率到高分辨率、从刚性衬底到柔性可拉伸衬底、从单一物理量到多物理量联合检测的跨越式进展，将为我国智能假肢、人工智能机器人等下一代智能灵巧器件的发展奠定基础。