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　基于壓電光子學效應的手寫電子簽名系統(tǒng)。

　　面對一疊文件需要簽名，相信誰都會崩潰，而電子簽名的推行將大大提高工作效率。近日，在中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員王中林、潘曹峰及訪問學者董林教授的指導下，王賢迪、張寒露及于若蒙博士等人研制出了利用壓電光子學效應實現(xiàn)動態(tài)應力成像的高分辨率、響應快的電子簽名功能器件。

　　電子簽名好處多

　　電子簽名由于能通過網(wǎng)絡輕松便捷地提供身份驗證和系統(tǒng)記錄，突破了時間和空間上的局限性，因此被廣泛應用于通信、電子商務、電子政務和信息安全等領(lǐng)域。其中，手寫簽名更因其使用便捷，被廣大用戶所熱衷，在數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡化等獨特的領(lǐng)域有著不可替代的作用。然而傳統(tǒng)的手寫電子簽名系統(tǒng)大多基于電學信號，響應和傳輸時間受限制，且難以充分記錄書寫過程中的力量、速度等動態(tài)個人書寫特征。

　　據(jù)王中林介紹，在他們的這項研究中，科研人員基于硫化鋅和金屬錳的壓電光子學效應，將應力信息轉(zhuǎn)換為可實現(xiàn)同步采集的光信號，提高了應力成像的響應和傳輸效率。“此次成功制備的原型器件可以達到100微米級別的空間分辨率，響應時間可達到10微秒以下的量級。”王中林告訴《中國科學報》記者。

　　除了更高的效率，由于這個系統(tǒng)在書寫壓力作用下的發(fā)光強度與所受壓力有較好的線性相關(guān)，而且靈敏度可調(diào)，將可以提供所施加的動態(tài)壓力、書寫速度等個人特征的詳細記錄，這大大豐富了手寫簽名的個人身份識別特征。

　　“這些特征使其他人更難偽造復制這種攜帶多種個體識別特征的簽名，進而提高了手寫簽名的安全性。”王中林說。

　　給力的壓電效應

　　而這僅僅是王中林開創(chuàng)的壓電電子學的一部分成果。

　　什么是壓電？王中林介紹說，壓電效應是指特定晶體材料在應力作用下變形時所產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象，即一種機械能與電能互換的現(xiàn)象。壓電材料發(fā)生壓電效應的原因，是因為其內(nèi)部原子的特殊排列方式，使得材料有了應力場和電場耦合的效應。壓電效應已被廣泛應用于微機械傳感、器件驅(qū)動和能源領(lǐng)域。而王中林團隊的創(chuàng)新點在于把壓電效應和半導體效應結(jié)合起來，從而形成了一個新的研究領(lǐng)域——壓電電子學。

　　2007年，基于納米級壓電和半導體性能的巧妙耦合，王中林首次提出了壓電電子學的概念，即利用壓電勢能來調(diào)制和控制半導體中的電流。與此同時，他們制備出第一個壓電三極管和壓電二極管，《自然—納米技術(shù)》將之稱為壓電電子效應。

　　2007和2010年，王中林首次在國際上提出壓電電子學和壓電光電子學效應這兩個全新的研究領(lǐng)域，即刻受到學術(shù)界的廣泛關(guān)注。目前這些研究成果已經(jīng)廣泛應用于微機械傳感、器件驅(qū)動和能源領(lǐng)域。

　　應用前景廣闊

　　王中林告訴記者，由于人的皮膚感知分辨率小于50微米，屬于高分辨率觸覺。用電信號或光電信號成功實現(xiàn)對高分辨率觸覺的模擬將對新型機器人、人機互動界面等領(lǐng)域有著重大的意義。

　　相比于視覺、聽覺、嗅覺、味覺等其它感知器官的研究，觸覺的仿生研究目前還很少?，F(xiàn)有的壓力傳感技術(shù)多是基于納米材料的平面型場效應晶體管效應，如自組裝的納米線、有機場效應管等。但是此類研究的分辨率多為毫米或厘米量級，而且相關(guān)器件的像素大小、像素點少，測量方式受到非常復雜的交叉電極的限制；數(shù)據(jù)采集也需要通過硬件開關(guān)和軟件開關(guān)逐個對每個像素點進行“串行”掃描，耗時長，難以實現(xiàn)大面積、高分辨的應力分布快速成像。

　　自2010年起，王中林課題組發(fā)現(xiàn)，當壓電二極管受外界應力時，壓電光電子學效應可以使其發(fā)光強度增加數(shù)倍，相關(guān)論文發(fā)表在2012及2013年的《納米快報》上。

　　而此次的成果則更具突破性。它首次奠定了壓電光電子學效應及其在大規(guī)模傳感成像中的應用；首次在高于人皮膚分辨率的情況下實現(xiàn)了大尺度應力應變成像及記錄。使得這項研究的應用范圍涵蓋生物醫(yī)療、人工智能、人機交互、能源和通信等領(lǐng)域；通過封裝和填充材料還可起到增強器件機械強度和延長器件工作壽命的作用。此外，這項技術(shù)在未來還可以被進一步發(fā)展成為多維度壓力傳感、智能自適應觸摸成像和自驅(qū)動傳感等，以實現(xiàn)壓電電子學器件在傳感、自驅(qū)動系統(tǒng)和人機互動等方面的廣泛應用。

　　“也許在不久的將來，手寫簽名將會成為歷史退出實際運用的舞臺，只有在展示個人收藏或私人信件中才會看到手寫簽名的身影了。”（記者 王晨緋）