“迷宫”式垂直石墨烯网络,构建超灵敏可拉伸应变传感器

作者采用具有迷宫状网络形貌的垂直取向生长石墨烯纳米片为导电介质,通过夹心式器件结构设计,实现了可拉伸、高灵敏应变传感器件的构筑。该新型柔性传感器件在监测人体脉搏、肌肉运动等细微动作以及大运动幅度手指关节旋转等运动方面展现优异的实用性,在柔性可穿戴电子器件方面具有极大的应用前景。

可穿戴传感器件能够执行多种物理及生理信号的检测,在软体机器人、运动感应、电子皮肤以及私人健康监测等领域有着广泛的应用。其中,可拉伸性和灵敏度是可穿戴传感器件的两个关键性能参数。目前,聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酯、柔性纱线以及聚氨酯等聚合物材质被广泛用作高柔性传感器基底,碳纳米管、碳纤维、石墨烯、纳米线及其复合材料等高导电材料被用于提升传感器件的灵敏度。但是,在一个传感器件中同时实现宽检测范围和高灵敏度,仍是一项具有挑战性的工作。

近期,澳大利亚新南威尔士大学Chun H. Wang教授(点击查看介绍)研究团队以具有迷宫状网络形貌的垂直生长石墨烯纳米片(VGN)为导电材质、PDMS为上下柔性基底,构筑了具有“三明治”结构的柔性传感器件。该柔性器件展现出优异可拉伸性(可拉伸∼120%)和高灵敏度(应变系数∼ 32.6)。同时器件的灵敏度和可拉伸性可通过调控石墨烯层的厚度进行调节,石墨烯层厚度增加,灵敏度随之提高,而可拉伸性却会降低。此外,这种柔性传感器件对温度和多种液体(例如水和模拟人体汗液的0.1 M氯化钠溶液)均不敏感,适用于可穿戴设备。

“迷宫”式垂直石墨烯网络,构建超灵敏可拉伸应变传感器

传感器件构筑过程示意图及结构表征。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces

VGN由多层石墨烯构成,壁厚为1-5 nm、高度约7 μm,呈空腔结构,底部有缓冲薄碳层,侧面含支化石墨烯片层。这一结构特性赋予了VGN高导电性,同时有利于后续PDMS柔性改性。通过浸润PDMS后固化,研究人员分别构筑了两层体系传感器件和三层体系传感器件。

“迷宫”式垂直石墨烯网络,构建超灵敏可拉伸应变传感器

传感器件可拉伸性能表征。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces

对比测试表明,三层体系传感器件具有更为优异的敏感度(~ 32.6)和柔性(最大拉伸率120%);可逆拉伸循环1000余次ΔR/R0未出现明显降低。同时,三层体系具有更小的ΔR/R0变化滞后(两层体系~ 21%;三层体系~ 6.7%)。

“迷宫”式垂直石墨烯网络,构建超灵敏可拉伸应变传感器

两层与三层体系器件传感滞后测试。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces

进一步通过不同拉伸状态下材料体系形貌/结构变化测试表明:拉伸初期拉伸应变的承载主体为上下层的PDMS基底;随着应变增加,拉伸应变逐步转移至中间VGN层;当应变进一步增加,体系会生产逐渐增多的裂纹;但是,VGN层裂纹之间仍存在石墨烯/PDMS桥接结构,这使得体系在高拉伸状态下仍保持导电转态。同时,研究发现通过调节VGN层厚度,能够进一步提升器件的灵敏度,当VGN厚度为13 μm时,达到88.4。

“迷宫”式垂直石墨烯网络,构建超灵敏可拉伸应变传感器

传感器件高性能内在机理研究。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces

此外,传感器件在压敏性方面也展现出优异的灵敏度。对于VGNs厚度分别为13、7、2 μm的传感器件,其灵敏度(kz = ΔR/R0/p)分别为0.030、0.014、0.002。该柔性传感器件能够适应不同的温度氛围及各种液体环境(水、0.1 M NaCl溶液),在实际人体运动及生理监测的应用中展现出优异的实用性能。

“迷宫”式垂直石墨烯网络,构建超灵敏可拉伸应变传感器

传感器件实用性能测试。图片来源:ACS Appl. Mater. Interfaces

——总结——

作者采用具有迷宫状网络形貌的垂直取向生长石墨烯纳米片为导电介质,通过夹心式器件结构设计,实现了可拉伸、高灵敏应变传感器件的构筑。该新型柔性传感器件在监测人体脉搏、肌肉运动等细微动作以及大运动幅度手指关节旋转等运动方面展现优异的实用性,在柔性可穿戴电子器件方面具有极大的应用前景。

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

“迷宫”式垂直石墨烯网络,构建超灵敏可拉伸应变传感器

Ultrasensitive and Stretchable Strain Sensors Based on Mazelike Vertical Graphene Network

ACS Appl. Mater. Interfaces201810, 36312–36322, DOI: 10.1021/acsami.8b15848

导师介绍

Chun H. Wang

http://www.x-mol.com/university/faculty/50127

本文来自X-MOL,本文观点不代表石墨烯网立场,转载请联系原作者。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。