面对一叠文件需要签名，相信谁都会崩溃，而电子签名的推行将大大提高工作效率。近日，在中科院北京纳米能源与系统研究所研究员王中林、潘曹峰及访问学者董林教授的指导下，王贤迪、张寒露及于若蒙博士等人研制出了利用压电光子学效应实现动态应力成像的高分辨率、响应快的电子签名功能器件。
电子签名好处多
电子签名由于能通过网络轻松便捷地提供身份验证和系统记录，突破了时间和空间上的局限性，因此被广泛应用于通信、电子商务、电子政务和信息安全等领域。其中，手写签名更因其使用便捷，被广大用户所热衷，在数字化、信息化和网络化等独特的领域有着不可替代的作用。然而传统的手写电子签名系统大多基于电学信号，响应和传输时间受限制，且难以充分记录书写过程中的力量、速度等动态个人书写特征。
据王中林介绍，在他们的这项研究中，科研人员基于硫化锌和金属锰的压电光子学效应，将应力信息转换为可实现同步采集的光信号，提高了应力成像的响应和传输效率。“此次成功制备的原型器件可以达到100微米级别的空间分辨率，响应时间可达到10微秒以下的量级。”王中林告诉《中国科学报》记者。
除了更高的效率，由于这个系统在书写压力作用下的发光强度与所受压力有较好的线性相关，而且灵敏度可调，将可以提供所施加的动态压力、书写速度等个人特征的详细记录，这大大丰富了手写签名的个人身份识别特征。
“这些特征使其他人更难伪造复制这种携带多种个体识别特征的签名，进而提高了手写签名的安全性。”王中林说。
给力的压电效应
而这仅仅是王中林开创的压电电子学的一部分成果。
什么是压电？王中林介绍说，压电效应是指特定晶体材料在应力作用下变形时所产生电压的现象，即一种机械能与电能互换的现象。压电材料发生压电效应的原因，是因为其内部原子的特殊排列方式，使得材料有了应力场和电场耦合的效应。压电效应已被广泛应用于微机械传感、器件驱动和能源领域。而王中林团队的创新点在于把压电效应和半导体效应结合起来，从而形成了一个新的研究领域—压电电子学。
2007年，基于纳米级压电和半导体性能的巧妙耦合，王中林首次提出了压电电子学的概念，即利用压电势能来调制和控制半导体中的电流。与此同时，他们制备出第一个压电三极管和压电二极管，《自然—纳米技术》将之称为压电电子效应。
2007和2010年，王中林首次在国际上提出压电电子学和压电光电子学效应这两个全新的研究领域，即刻受到学术界的广泛关注。目前这些研究成果已经广泛应用于微机械传感、器件驱动和能源领域。
应用前景广阔
王中林告诉记者，由于人的皮肤感知分辨率小于50微米，属于高分辨率触觉。用电信号或光电信号成功实现对高分辨率触觉的模拟将对新型机器人、人机互动界面等领域有着重大的意义。
相比于视觉、听觉、嗅觉、味觉等其它感知器官的研究，触觉的仿生研究目前还很少。现有的压力传感技术多是基于纳米材料的平面型场效应晶体管效应，如自组装的纳米线、有机场效应管等。但是此类研究的分辨率多为毫米或厘米量级，而且相关器件的像素大小、像素点少，测量方式受到非常复杂的交叉电极的限制；数据采集也需要通过硬件开关和软件开关逐个对每个像素点进行“串行”扫描，耗时长，难以实现大面积、高分辨的应力分布快速成像。
自2010年起，王中林课题组发现，当压电二极管受外界应力时，压电光电子学效应可以使其发光强度增加数倍，相关论文发表在2012及2013年的《纳米快报》上。
而此次的成果则更具突破性。它首次奠定了压电光电子学效应及其在大规模传感成像中的应用；首次在高于人皮肤分辨率的情况下实现了大尺度应力应变成像及记录。使得这项研究的应用范围涵盖生物医疗、人工智能、人机交互、能源和通信等领域；通过封装和填充材料还可起到增强器件机械强度和延长器件工作寿命的作用。此外，这项技术在未来还可以被进一步发展成为多维度压力传感、智能自适应触摸成像和自驱动传感等，以实现压电电子学器件在传感、自驱动系统和人机互动等方面的广泛应用。
“也许在不久的将来，手写签名将会成为历史退出实际运用的舞台，只有在展示个人收藏或私人信件中才会看到手写签名的身影了。”
