基於仿生微結構的高性能柔性MXene壓阻傳感器研究進展

近年來,隨著柔性電子學的發展,輕、薄、柔的低成本、可穿戴、大規模制備的柔性傳感器逐漸成為瞭一大研究熱點。高靈敏度、快速響應、易集成、低能耗的柔性壓力傳感器是人機交互和可穿戴電子設備的關鍵。傳感器在人類活動監測,生物醫學研究,人工智能交互等方面的具有巨大的應用潛力。實時監測和人類活動的信息反饋,例如血壓,脈搏,肢體運動等,在生物醫學研究,疾病診斷和及時治療中至關重要。然而,在低成本、高靈敏度、大規模制備的壓阻傳感器上仍面臨巨大挑戰。

2020年2月10日,國際權威學術期刊《ACS Nano》在線發表瞭華中科技大學武漢光電國傢研究中心李露穎副教授高義華教授團隊的最新研究成果仿生微結構高性能噴塗Ti3C2Tx(MXene)基壓阻傳感器” (Bioinspired Microspines for a High-Performance Spray Ti3C2Tx MXene-Based PiezoresistiveSensor)。

基於仿生微結構的高性能柔性MXene壓阻傳感器研究進展

在最新研究中,Ti3C2Tx(MXenes)具有二維結構,高導電性,合成工藝可控等優點,是一種很有前途的壓力傳感器電極材料,在能源儲能、電磁屏蔽、催化、光電及傳感器等領域有廣泛的用途。受二維Ti3C2Tx(MXenes)的特定結構以及優異的金屬導電性以及隨機分佈的微結構(類似人體皮膚)傳感效果的啟發,我們使用可大規模制備的模板印刷工藝法,噴塗優異導電性的MXene材料,制造瞭高度敏感的柔性壓阻傳感器。所獲得的壓阻傳感器顯示出高靈敏度(151.4  kPa-1),相對較短的響應時間(<130 ms),超低的壓力檢測極限(4.4 Pa)以及出色的循環穩定性(超10,000次)的優異性能。結合力學原位電子顯微鏡研究技術以及有限元理論模擬,從結構角度和理論力學角度動態揭示瞭傳感器的高靈敏度傳感機理。受生物啟發的隨機微結構可以有效地提高壓力傳感器的靈敏度和壓力檢測極限。該傳感器在監視人體生理信號,定量檢測壓力分佈以及實時遠程監視智能機器人運動方面表現出卓越的性能,可以應用於醫療監測、智能人機交互、可穿戴智能設備等多領域中。

【圖文導讀】

基於仿生微結構的高性能柔性MXene壓阻傳感器研究進展
圖1. 仿生微結構壓阻傳感器的設計與組裝。(a)皮膚組織和皮膚下的突刺微結構(b)MXene的制備(c)仿生微結構MXene壓阻傳感器的制備流程。
基於仿生微結構的高性能柔性MXene壓阻傳感器研究進展
圖2. MAX相,MXene納米片和仿生微結構PDMS的顯微學表征。(a,b)MAX相和MXene的SEM圖像(c)MXene納米片的TEM圖像(d)MXene納米片的AFM圖像,厚度約為1.39 nm(e)MXene納米片的HAADF圖像(g)具有微結構PDMS的SEM圖像(i)PDMS的厚度測量(j)PDMS的粗糙表面和側面的SEM表征(k)微結構的微觀SEM圖像(l)各個砂紙型號的平均粗糙度。
基於仿生微結構的高性能柔性MXene壓阻傳感器研究進展
圖3.仿生微結構 MXene的壓阻傳感器的電學特性響應。(a)測試系統(b)I-V響應曲線,為歐姆接觸(c)I-T響應曲線(d)靈敏度曲線(e)響應時間和恢復時間(f)壓力循環測試表現出優異的循環穩定性(g)頻率響應­­–出色的頻率均勻性和穩定性(h)卓越的感應壓力速度性能(i)快速響應。
基於仿生微結構的高性能柔性MXene壓阻傳感器研究進展
圖4.原位動態揭示MXene傳感器的傳感機制。(a)3D形態和粗糙度分析(b-e)傳感器動態運動時的SEM原位分析。
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圖5. MXene壓阻傳感器實時監測人類活動和檢測小物理信號。(a)手指彎曲(b)手腕彎曲(c)肘部擺動(d)手腕脈沖(e)吞咽喉嚨(f)敲擊手指(g)踝關節彎曲(h)膝蓋彎曲(i)大麥茶(4.4 Pa)和米粒(8.6 Pa)小物體測試。
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圖6.(a)MXene壓阻傳感器4×4陣列檢測壓力分佈(b)檢測機器人運動行為(c)壓阻傳感器的電流信號轉換為便攜式移動設備。

【本文總結】

該壓阻傳感器具有易於大規模制備,低成本,高靈敏度,超薄形態,附著於皮膚上的靈活性,有望成為可穿戴電子候選者。壓力傳感器的性能得到瞭極大的改善,靈敏度高(151.4  kPa-1),響應時間短(<130 ms),壓力檢測極限小(4.4 Pa),並具有出色的穩定性。傳感器可以實際應用於人體活動的實時監控,細微壓力的檢測及壓力分佈的定量顯示,其在人體活動檢測,醫療監控,靈活的佩戴和人機交互有巨大的應用潛力。

該工作得到瞭國傢自然科學基金(51871104,11674113,11874025,11904091),湖北省自然科學基金(2017CFB417, 2019CFB259)、中央高校基本科研業務費專項資金(No.2017KFYXJJ039)等項目資助。李露穎副教授高義華教授為論文共同通訊作者,碩士研究生程永發為第一作者,馬亞楠副教授朱蒙,嶽陽副教授劉偉傑,王龍飛,賈雙鳳,李陳,戚天宇,王建波教授為共同作者參與相關工作。

論文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b08952

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