柔性多功能传感器是实现实时监测、医疗诊断及工业智能化的核心部件。当前主流设计依赖多个独立传感单元的集成，导致结构复杂、灵活性不足、成本高昂，且信号灵敏度与可靠性难以兼顾，限制了其大规模应用前景。面对这一挑战，开发一种制造工艺简单、性能优异且能同步感知多模态信号的统一柔性材料，成为该领域迫切的技术需求。
近日，江苏大学张彦虎副教授和港科大杨征保教授团队在期刊《Advanced Science》上，发表了最新研究成果“Piezo-phototronic PVDF/HfO2/Nano-Cu heterostructured thin film for flexible self-powered multimodal sensing”。研究者通过可扩展的静电纺丝技术将 HfO2 和纳米铜集成到 PVDF 纳米纤维基质中，填料协同增强了β相结晶度同时 HfO2实现了压电-光电耦合，成功制备出PVDF/HfO2/Nano-Cu异质结压电薄膜。
无机填料HfO2与纳米铜同时引入PVDF基体这一“双填料”策略产生了显著的协同效应：纳米铜通过增强局域电场，HfO2通过促进静电偶极排列，共同诱导PVDF形成了高达44.1% 的压电β相结晶度——这一数值在无后处理（如极化）的工艺中达到了创纪录水平。由此制备的复合薄膜，其压电输出性能（15V开路电压，355nA短路电流）达到纯PVDF的3.95倍，并在超过5000次的循环测试中保持稳定，耐久性远超现有多数柔性压电材料。
图1：PVDF/HfO2/Nano-Cu压电-光电异质结的设计与制备。
图1a阐明了复合填料协同增强PVDF压电性的机制：HfO2凭借其高电负性，通过静电配位作用诱导β相成核；纳米铜则同时作为异质成核剂降低结晶能垒，并在静电纺丝过程中增强局部电场，进一步驱动PVDF链定向排列为β相。如图1b所示，将三者按优化比例共混于DMF形成前驱体溶液，通过高压静电纺丝即可连续制备出均匀的纳米纤维非织造薄膜。该工艺实现了材料性能提升与结构可控制备的同步完成。
图2：电纺复合纳米纤维薄膜的微观结构表征、元素分析及机械性能。
图2a-e的SEM与EDS分析表明，复合填料可协同调控纤维形貌与组成。HfO2与纳米铜的引入，通过增强溶液导电性与诱导拉伸，使纤维直径由纯PVDF的约490 nm降至220 nm，并实现HfO2的均匀分散。纳米铜存在局部聚集，但未形成宏观团聚。力学性能呈现填料依赖性：HfO2通过增强界面粘附与应力传递提升拉伸性能；而纳米铜则因界面相容性限制与聚集倾向，导致机械性能有所下降。
图3：压电增强和分子间相互作用后复合纳米纤维薄膜的结构与功能表征。
XRD与FTIR分析证实，HfO2与纳米铜的掺入显著调控了PVDF的晶体结构（图3）。在最佳掺杂比例下（0.6 wt.% HfO2或2 wt.% 纳米铜），复合薄膜的压电β相含量分别提升至44.1%与41.78%（纯PVDF为33.25%），且结晶度同步提高。同时，XRD显示纳米铜表面存在氧化层，这有效抑制了电荷泄漏。介电测试表明，该优化组合在提升介电常数的同时，保持了较低的介电损耗。这些结果从结构层面揭示了填料通过协同效应增强PVDF压电性能的机理。
图4：纳米纤维薄膜器件压电性能及响应可靠性评估。
此外，该研究构建了基于PVDF/HfO2/纳米铜异质结薄膜的柔性压电器件。通过双填料协同（0.6 wt.% HfO2与2 wt.%纳米铜），器件输出电压达15 V，为纯PVDF的3.95倍，并显著优于单一填料体系。该器件在5–30 N压力范围内响应线性，且经过5000次循环后性能稳定，显示出高耐久性与可靠性——双填料在优化β相结晶与维持低介电损耗方面的协同作用。
图5：PVDF/HfO2/纳米铜压电传感器在运动能量收集和生物力学传感中的应用。
该传感器成功应用于人体运动监测，展现出高灵敏度与模式识别能力（图5）：行走、跑步、跳跃分别产生10 V、14 V、20 V的特征电压信号，并可识别足部压力分布的动态变化。在手部交互中，能区分指尖敲击（2.3 V）与手掌拍击（10 V）。此外，传感器贴附于关节时可定量监测弯曲角度（30°与60°弯曲分别对应0.2 V与0.4 V）。这些结果验证了其作为自供电多功能传感器的潜力，可实现从宏观运动到细微动作的精准感知与生物机械能收集。
此外，在零偏压条件下展现出优异的宽谱响应（375–808 nm），其光电流在375–532 nm范围内与入射光功率呈线性关系（图6a-c）。器件具备超快响应特性，开启与衰减时间分别仅为600 μs与53 μs。在连续及图案化光照测试中，其光电流输出保持稳定，衰减可忽略不计，证实了良好的时间稳定性与空间分辨率（图6d-e），在高速光学传感与动态成像领域具有应用潜力。
图6：PVDF/HfO2 复合纳米纤维器件的光学输出性能和成像能力。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202518913
本工作得到国家自然科学基金（51705210）、机械系统与振动国家重点实验室开放基金（No . MSV202516）、江苏大学附属医院“北固人才”青年计划（编号：BGYCB202203）、江苏大学医学教学与科研协作项目（JDYY2023004）以及深圳-香港联合创新项目（SGDX20190919102801693）、香港科技大学、香港特别行政区政府创新及科技委员会创新及科技基金（项目编号：MHP/013/23）的支持。合作者包括江苏大学硕士生顾佳炜、江苏大学附属医院彭琼乐博士（顾佳炜和彭琼乐做出了等同贡献，为共同第一作者），江苏大学硕士生仲轩琪、张瑞环，香港科技大学郑毅博士，北京航空航天大学马治强副教授，江苏大学宋效先、刘宝副教授。江苏大学张彦虎副教授和香港科技大学杨征保副教授为论文共同通讯作者。
本文通讯作者张彦虎博士，2016年12月毕业于哈尔滨工业大学，现为江苏大学机械工程学院副教授，于2022年1月至香港城市大学STVL实验室访问学习1年。近年来，TPM课题组（Tribology, Piezoelectricity, Measurement）在Advanced Materials、Materials Science and Engineering R: Reports、Advanced Science、Nano Letters等专业期刊发表学术论文70余篇，授权国家发明专利20项。江苏省摩擦学学会会员，中国力学学会、中国振动工程学会会员，中国机械工程学会高级会员，美国光学学会会员，IEEE Member，受邀担任40余种SCI期刊审稿人。研究方向包括应用摩擦学、压电驱动及低温测量。
Email：zhyh@ujs.edu.cn.
本文通讯作者杨征保博士，2018年毕业于多伦多大学，现为香港科技大学副教授，同时也是智能传感器与振动实验室（STVL）的主任。杨教授是IEEE Senior Member，连续多年并被斯坦福大学评选为“全球前2%的科学家”之一。目前担任“Sensors“, “Smart Materials and Structures”和“IEEE/ASME Transactions on Mechatronics”期刊编辑。他的研究兴趣包括智能材料和机电一体化，特别强调压电材料、能量收集器和无线传感器系统的开发。杨教授在中国和美国申请了24项专利，并在高影响力期刊上发表了超过150篇学术文章，其中包括在过去五年中发表的15篇《自然》和《科学》系列论文。在他的领导下，STVL实验室已培养了11名博士生、6名博士后研究员和30多名硕士生，其中一些获得了中国海外人才计划的认可或加入了全球顶尖高科技公司。
Email：zbyang@ust.hk.
【原文信息】
Jiawei Gu, Qiongle Peng, Xuanqi Zhong, Yi Zheng, Zhiqiang Ma, Xiaoxian Song, Ruihuan Zhang, Bao Liu, Yanhu Zhang, Zhengbao Yang. Advanced Science 2025, e18913.
https://doi.org/10.1002/advs.202518913
