基于二维材料隧穿效应的高灵敏度、透明应变传感器，在健康监测、电子皮肤、智能显示器等微型柔性电子器件领域受到广泛关注。然而，应变传感器要同时实现高灵敏度与高透明度，目前仍存在诸多难题与阻碍。本文借助朗缪尔‑谢弗组装法，将小尺寸氧化石墨烯纳米片掺入超薄堆叠的MXene薄片中，制备得到氧化石墨烯改性MXene复合薄膜，以此实现兼具高灵敏度与高透明度的应变传感器。研究发现，横向尺寸处于亚微米级的氧化石墨烯，对提升超薄堆叠结构内MXene薄片的排列规整度与致密性起到关键作用。分子动力学模拟结果表明，得益于摩擦界面处隧穿效应增强以及摩擦学性能改善，该氧化石墨烯改性MXene复合薄膜透光率可达86%，应变系数高达115.6，最低可检测应变低至0.1%。利用该复合薄膜，进一步试制出可用于脉搏监测、语音识别、手语翻译的应变传感平台，以及能够实现应力分布空间分辨成像的传感器阵列，充分展现了其在可穿戴电子领域的巨大应用潜力。本研究实现了灵敏度与透明度的同步提升，为设计基于MXene或其他二维材料的高性能透明应变传感器提供了重要参考。
该研究以题为“Ultrathin Small-Sized Graphene Oxide-Modified MXene Hybrid Films for Highly Sensitive Transparent Strain Sensors”发表在ACS Nano上。
图1 SGO‑mM复合薄膜在气‑水界面处自组装过程的示意图，以及堆叠的MXene薄片之间的隧穿电流。
图2 (a) 压缩前转移的SGO纳米片与MXene片层的原子力显微镜（AFM）图像。(b) SGO纳米片与MXene片层的分布示意图。(c) SGO纳米片、MXene片层以及SGO‑mM片层的表面压力‑面积等温曲线。(d) 在20 mN m⁻¹条件下组装得到的SGO‑mM复合薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像，(e) 其透射电子显微镜（TEM）图像。(f) 图2e中标注的重叠区域的选区电子衍射（SAED）图谱。(g) 由SGO纳米片、MXene片层以及SGO‑mM片层组装所得薄膜的拉曼光谱。(h) 纯MXene薄膜与SGO‑mM复合薄膜的Ti 2p X射线光电子能谱（XPS），(i) 二者的C 1s X射线光电子能谱（XPS）。
图3 (a) SGO‑mM复合薄膜的紫外‑可见透射光谱，SGO含量从0 wt%增加至12 wt%。插图为对应薄膜的实物照片。比例尺：1 cm。(b) SGO含量从0 wt%增加至12 wt%时，SGO‑mM复合薄膜在550 nm处的光学透射率与方阻的变化。(c)纯MXene薄膜与(d)SGO‑mM复合薄膜的广角X射线衍射图谱。(e)MXene薄膜与SGO‑mM复合薄膜(002)特征峰的半高宽以及(f)散射强度对比。
图4 (a) SGO‑mM/PDMS在2.0%应变下，相对电阻随SGO含量增加的变化。(b) SGO含量在0 wt%至12 wt%范围内变化时，SGO‑mM/PDMS的相对电阻随施加应变的变化关系。(c) 灵敏度因子（GF）随SGO含量的变化。SGO‑mM/PDMS的相对电阻变化：(d) 不同应变条件下；(e) 不同频率条件下。(f) SGO‑mM/PDMS的响应时间。(g) 在1.0%应变下反复拉伸‑释放过程中SGO‑mM/PDMS的相对电阻变化。(h) 与文献中其他透明应变传感器的灵敏度因子（GF）及透光性能对比。
图5 (a) 0%应变、(b) 5%应变以及(c) 10%应变条件下SGO‑mM复合薄膜的扫描电镜图像。(d) 拉伸应变下堆叠的MXene片层之间隧穿电流减小的原理示意图。(e) 由多层堆叠MXene片层构成的电阻网络。(f) 根据理论方程得到的、与实验数据相对应的相对电阻变化拟合曲线。
图6 (a) 含有多层SGO的SGO‑mM分子模型。(b) 剪切过程中，含1层SGO的SGO‑mM在初始状态与最终状态下的快照。(c) SGO层数由1增加至9时SGO‑mM的原子速度分布，(d) SGO‑mM对应的速度峰值。(e) SGO层数由1增加至9时，SGO‑mM中顶层MXene的摩擦应力，(g) 顶层MXene摩擦应力对应的峰值与平均值。(f) SGO层数由1增加至9时，SGO‑mM中底层MXene的摩擦应力，(h) 底层MXene摩擦应力对应的峰值与平均值。
图7 SGO‑mM/PDMS的实时电阻响应：(a)佩戴于手腕用于脉搏检测，(b)贴于颈部用于语音识别。比例尺：4厘米。(c)SGO‑mM/PDMS作为电子皮肤用于手语转译的应用。比例尺：4厘米。(d)基于SGO‑mM的4×4传感器阵列的制备过程，(e)该阵列的实物照片。比例尺：1厘米。(f‑h)贴附于人体皮肤的4×4传感器阵列在受到线性、对角以及全向外力作用时的响应情况。
总结
透明应变传感器普遍面临灵敏度与透光率难以兼顾的问题。针对这一矛盾，本文采用朗缪尔-谢弗组装法，将亚微米级氧化石墨烯引入超薄堆叠的MXene薄片之间，得到氧化石墨烯改性MXene复合薄膜。小尺寸氧化石墨烯有效提高了MXene薄片的排列规整度和致密性，分子动力学模拟显示，摩擦界面处的隧穿效应增强，摩擦学性能也得到改善。基于这一结构，复合薄膜在保持86%透光率的同时，应变灵敏度系数达到115.6，最低可分辨0.1%的应变，实现了高透明度与高灵敏度的同步提升。
在该复合薄膜基础上，研究者搭建了可用于脉搏监测、语音识别和手语翻译的应变传感平台，并制备了能够对应力分布进行空间成像的传感器阵列。相关工作展示了该材料在可穿戴电子、健康监测等柔性器件中的应用潜力，也为基于MXene或其他二维材料设计高性能透明应变传感器提供了新的结构调控思路。
参考消息：
DOI: 10.1021/acsnano.6c06335
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