近日，南方科技大学材料系刘玮书教授课题组在高性能聚合物传感器领域取得新进展，相关成果分别发表以“Ultrasensitive Mechanical/Thermal Response of a P(VDF-TrFE) Sensor with a Tailored Network Interconnection Interface”为题发表在《自然通讯》(Nature Communications)上。该工作被编辑选为Highlight文章。

铁电聚合物由于其化学稳定性、柔韧性、生物相容性等在传感器、致动器和能量采集等领域有广泛应用。然而其低压电系数、热释电系数限制了铁电聚合物的进一步应用范围。因此，制备出高压电系数和热释电系数的成为关键。基于此，团队提出了通过界面工程提升铁电聚合物灵敏度的技术路线。聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐 (PEDOT:PSS)为传感器电极，利用二甲基亚砜(DMSO)等通过扩散在P(VDF-TrFE)和PEDOT:PSS间形成互连界面结构(NII)，该NII结构可增强复合膜的电荷收集能力并改善电极与聚合物的界面结合性。所制备的PEDOT:PSS/ P(VDF-TrFE)复合膜压电系数(d33)高达-86 pC N−1，热释电系数(p)高达95 μC m−2 K−1。

图1. P(VDF-TrFE)/PEDOT:PSS复合膜结构。(a-c) NII界面元素分布图；(d-f) 不同电极材料P(VDF-TrFE)的压电系数及热释电系数

图2. (a-b)不同NII厚度比下复合薄膜的压电系数和热释电系数；(c) 复合薄膜的电容变化；(d) 复合膜的压电系数与NII厚度的关系；(e) 复合膜的压电系数随DMSO体积分数的变化；(f) 不同溶液制备的复合膜的压电系数比较。

同时该P(VDF-TrFE)/PEDOT:PSS复合薄膜表现出超高灵敏度力/热传感特性。在0.025-100 kPa的压力范围内传感灵敏度达2.2 V kPa-1的灵敏度，在0.05-10 K的温度范围内传感灵敏度为6.4 V K-1。文章认为这一发现有助于提升聚合物膜的压电和热释电性能，有望将其用于语音识别，人体健康监控等方面。

图3. (a-c) P(VDF-TrFE)/PEDOT:PSS复合膜力响应特性；(d-f) P(VDF-TrFE)/PEDOT:PSS复合膜热响应特性；(g-h) 力和热传感灵敏度对比；(i) 复合膜的压电和热释电响应的稳定性

图4. P(VDF-TrFE)/PEDOT:PSS复合膜用于(a-b) 脉搏监控；(c) 语音识别

研究副教授李波为论文第一作者，刘玮书教授为论文通讯作者，南方科技大学为论文第一单位，合作单位包括华中科技大学、湘潭大学。以上工作得到了广东省自然科学基金、国家自然科学基金、深圳市杰出青年基金、深圳市科技计划项目、腾讯基金会“科学探索奖”等的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39476-4