科學家製備出超薄納米材料有望實現超高精度致動器與感測器

摘要：近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張珽團隊與新加坡南洋理工大學教授劉政團隊合作，並聯合南京大學、新加坡科技局先進位造研究所以及美國杜克大學，通過五方全面合作，在該領域取得新進展。研究團隊通過化學氣相沉積法，製備出高質量硫化鎘(CdS)超薄納米片薄膜(厚度2-3納米，既3-5個晶格厚度)。

原子是人類目前能夠「操作」的物質極限。依靠人類的無與倫比的洞察力和巧奪天工的手藝，不僅可以通過電子「看到」單個原子，甚至可以操控單個原子，其操作精度已經達到1納米以下。即使如此，也遠未達到「靈活」控制的階段，更不用說「遊刃有餘」的組裝原子。精密的定位和驅動依賴致動器(Actuator)，而致動器的最重要的核心之一為壓電材料。簡單地說，這種材料具有極性，可通過外加電壓，獲得細微形變，進而實現高精度驅動;反其道而行之，則可應用於高精度的應變、位移與定位的感測器(Sensor)。此種天賦，使得致動器已成為實現高精度定位的利器，並裝備於最前沿的儀器，如掃描隧道顯微鏡(STM)和透射電子顯微鏡(TEM)。通過這些「火眼金睛」，得以窺見原子，包括極小的硼和碳原子。可以說，壓電材料已成為人類探索微觀世界的「智能肌肉」。即使如此，如上所述，實現亞原子尺度的超高精度定位仍然極具挑戰。超薄壓電材料有望在解決這一問題上大展身手：用原子級尺寸的壓電材料，獲得亞原子解析度的定位和驅動。

近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張珽團隊與新加坡南洋理工大學教授劉政團隊合作，並聯合南京大學、新加坡科技局先進位造研究所以及美國杜克大學，通過五方全面合作，在該領域取得新進展。研究團隊通過化學氣相沉積法，製備出高質量硫化鎘(CdS)超薄納米片薄膜(厚度2-3納米，既3-5個晶格厚度)。並通過掃描探針顯微鏡等原位表徵技術，對硫化鎘超薄納米片材料的垂直方向壓電性能進行了表徵與系統研究，發現超薄硫化鎘納米片在垂直方向具有3倍於體相材料的巨大壓電常數(~33pm/V)，並且理論模擬很好地驗證了這個結論。這些結果為構築超高精度的驅動器及新型高靈敏壓力、位移和應變感測器奠定了重要的理論與實驗的基礎。

從某種程度上說，儀器的精度決定了人類對物質世界的認知極限，其中高精度的壓電材料不可或缺。為一窺原子，需要利用壓電材料在亞原子精度上移動探針;為驗證小尺度下萬有引力的平方反比關係，需要對實驗部件精確定位感知;甚至為了「傾聽」黑洞的合并瞬間釋放出的響徹宇宙的引力波，需要對無數元件嚴絲合縫的組裝定位驅動，消除哪怕一絲一毫的機械偏差。這一切，壓電材料功不可沒。短期來說，高性能的超薄壓電材料對於製造高精度感測器、先進機電元件大有裨益，包括降低尺寸，增加集成度，改造為柔性電子器件等。長遠而言，超薄壓電材料甚至可以改變人類對世界的認知。

相關研究結果已發表於《科學》子刊《科學進展》(Science Advances,2016, 2, , e1600209)。

圖1 超薄硫化鎘納米片壓電測試的示意圖、光學顯微鏡圖片及其垂直方向壓電性能測試結果

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