量子物态与器件研究中心：触觉应力翻转铁电极化

在铁电材料体系中，机械应力诱导铁电极化翻转通常依赖于挠曲电效应机制。通过非均匀应力场产生的梯度电场驱动电极化反转，然而其实际应用面临显著挑战：需借助原子力显微镜探针在纳米级接触区域施加GPa的超高机械应力，这严重限制了其在触觉传感和存储器件等领域的实际应用。突破这一技术瓶颈的关键在于开发新型低压强驱动策略，甚至实现触摸量级机械应力下的极化调控。摩擦电效应展现出了独特优势——该效应通过界面接触带电与静电感应耦合作用，能在千帕级压强下产生数百伏量级的高压输出，为低功耗铁电极化翻转提供了极具潜力的技术路径。近日，浙江大学物理学院量子物态与器件研究中心薛飞研究员、常凯院士团队创新地使用摩擦电效应，突破该领域的巨大压强瓶颈，实现超低压强的机械活动调控铁电极化，为构建高灵敏度、低功耗的类触觉系统提供了全新思路。

图1. 提出的超低压强调控铁电极化的机理解释

该研究通过集成摩擦电单元与二维铁电忆阻器，巧妙地利用摩擦电效应（triboelectricity）取代传统需要GPa级压强的挠曲电效应，实现了仅需~10 kPa甚至手指触碰即可驱动α-In₂Se₃材料中的铁电极化翻转。团队进一步展示了多级电阻态的可调控性，并构建了具备类脑突触可塑性功能的神经形态应力感知系统，推动了触觉交互与柔性电子皮肤的实用化进程。

图2. 应力调控铁电忆阻器实现类脑应力感知存储与神经形态仿真

该研究实现机械压力直接调控α-In₂Se₃忆阻器中铁电极化方向与电阻状态，构建具备“感知-存储”能力的类神经系统。器件不仅具备多级电阻态调控、良好的保持特性与重复性，而且可在无环振荡器等复杂电路辅助下，仅依靠施加应力完成突触权重更新，展现出优异的系统集成简洁性与能效比优势。此外，通过引入LTP/LTD学习机制，进一步构建了具备图像识别能力的类脑神经网络，验证其在柔性人工智能器件、电子皮肤、人机交互及智能机器人等前沿领域的广阔应用潜力。

该工作于2025年4月30日发表在《Science Advances》，标题为“Ultralow-pressure mechanical-motion switching of ferroelectric polarization”，文章链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adr5337。本文第一作者为浙江大学物理学院和集成电路学院联合培养博士生王宝玉与访问学者何鑫博士，通讯作者是浙江大学物理学院薛飞研究员，其它通讯作者包括浙江大学集成电路学院俞滨教授和中南大学孙健教授，本文第一单位为浙江大学。合作者包括西安电子科技大学刘艳教授、韩根全教授团队、沙特阿卜杜拉国王科技大学张西祥教授、中科院金属所胡卫进教授等，该工作得到国家自然科学基金项目、浙江省自然科学基金项目以及国家重点研发计划的支持。