科學(xué)家制備出超薄納米材料有望實(shí)現(xiàn)超高精度致動(dòng)器與傳感器

　　原子是人類目前能夠“操作”的物質(zhì)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(gè)原子，甚至可以操控單個(gè)原子，其操作精度已經(jīng)達(dá)到1納米以下。即使如此，也遠(yuǎn)未達(dá)到“靈活”控制的階段，更不用說“游刃有余”的組裝原子。精密的定位和驅(qū)動(dòng)依賴致動(dòng)器（Actuator），而致動(dòng)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(xì)微形變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度驅(qū)動(dòng)；反其道而行之，則可應(yīng)用于高精度的應(yīng)變、位移與定位的傳感器（Sensor）。此種天賦，使得致動(dòng)器已成為實(shí)現(xiàn)高精度定位的利器，并裝備于最前沿的儀器，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?？梢哉f，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(shí)現(xiàn)亞原子尺度的超高精度定位仍然極具挑戰(zhàn)。超薄壓電材料有望在解決這一問題上大展身手：用原子級(jí)尺寸的壓電材料，獲得亞原子分辨率的定位和驅(qū)動(dòng)。

　　近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張珽團(tuán)隊(duì)與新加坡南洋理工大學(xué)教授劉政團(tuán)隊(duì)合作，并聯(lián)合南京大學(xué)、新加坡科技局先進(jìn)制造研究所以及美國杜克大學(xué)，通過五方全面合作，在該領(lǐng)域取得新進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)通過化學(xué)氣相沉積法，制備出高質(zhì)量硫化鎘（CdS）超薄納米片薄膜（厚度2-3納米，既3-5個(gè)晶格厚度）。并通過掃描探針顯微鏡等原位表征技術(shù)，對(duì)硫化鎘超薄納米片材料的垂直方向壓電性能進(jìn)行了表征與系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)超薄硫化鎘納米片在垂直方向具有3倍于體相材料的巨大壓電常數(shù)（~33pm/V），并且理論模擬很好地驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)論。這些結(jié)果為構(gòu)筑超高精度的驅(qū)動(dòng)器及新型高靈敏壓力、位移和應(yīng)變傳感器奠定了重要的理論與實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。

　　從某種程度上說，儀器的精度決定了人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)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(dòng)探針；為驗(yàn)證小尺度下萬有引力的平方反比關(guān)系，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)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(duì)無數(shù)元件嚴(yán)絲合縫的組裝定位驅(qū)動(dòng)，消除哪怕一絲一毫的機(jī)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(duì)于制造高精度傳感器、先進(jìn)機(jī)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(yuǎn)而言，超薄壓電材料甚至可以改變?nèi)祟悓?duì)世界的認(rèn)知。

　　相關(guān)研究結(jié)果已發(fā)表于《科學(xué)》子刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances,2016, 2, e1600209）。

超薄硫化鎘納米片壓電測試的示意圖、光學(xué)顯微鏡圖片及其垂直方向壓電性能測試結(jié)果