近日，前沿科学研究院和材料科学与工程学院杨维清教授团队博士研究生徐天培等人在柔性压电领域取得重要研究进展，相关成果以“All-polymer piezo-ionic-electric electronics”为题发表在国际著名期刊《Nature Communications》（Nature子刊，中科院一区Top期刊，最新IF=14.7）。该工作提出了压-离-电耦合器件（piezo-ionic-electric electronics）的全新概念，开发了一种具有有序离子-电子界面的全聚合物薄膜，实现了力电耦合性能的显著提高，代表了一种前沿的压电传感范式，为高度优化的全有机压电功能体系开辟了新思路和新方法。前沿科学研究院与材料学院杨维清教授、靳龙助理教授为论文通讯作者，化学学院2024级博士研究生徐天培为论文第一作者，西南交通大学为唯一署名单位。

柔性压电器件兼具柔韧性和力电转换功能，在可再生能源及可穿戴电子领域具有巨大的应用潜力。全聚合物压电器件避免了常见无机掺杂策略导致的聚合物柔性损失，为柔性电子技术提供了理想的解决方案。然而，其中的无序和弱极化界面往往会导致较低的器件压电性，限制了它们的实际应用。如何进一步开发高度优化的全聚合物压电系统，是突破柔性压电器件性能瓶颈的关键所在。

离子聚合物在非均匀应力作用下会发生非均匀离子迁移，产生离子电位差，被称为压电离子效应。与压电效应一样，压电离子效应在宏观效果上也表现为从力学形变到电学极化的物理逻辑演变。这种极大的相似性为融合两种效应，开创新型自供电耦合传感体系带来了无限可能。

图1 压-离-电耦合器件的概念、设计与特性

从这一思路出发，杨维清教授/靳龙助理教授团队提出了压-离-电耦合器件的交叉性新概念（图1），展示了一种高度优化的全聚合物薄膜器件，借助有序离子-电子界面的极化增强作用，实现了力电耦合性能的超高效提升，其压电系数高达80.70 pC N⁻¹，表现出51.50 mV kPa⁻¹的压力灵敏度（图2）。同时，结合新奇物理实验现象以及压电离子效应非均匀形变的理论特征，提出并验证了基于弯曲自极化特性的压电-压电离子耦合工作机制（图3），实现了压-离-电新型传感体系的整体逻辑闭环。此外，作者团队也进一步展示了这种新型压-离-电耦合器件在能量收集、生理信号监测以及振动频率检测等方面的全能化应用。

图2 力电耦合增强的结构基础及性能对比

图3 耦合性器件独特的压-离-电工作机制及其验证

    该项研究工作得到了国家自然科学基金、四川省自然科学基金等项目的支持。

   原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55177-y