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Adv. Mater.:分子-石墨烯杂化材料构筑高灵敏压力传感器

压力传感器能够基于压力变化产生电信号,在医疗诊断、健康监测等可穿戴生物电子器件领域有着广泛的应用。目前,石墨烯、碳纳米管、导电橡胶、硅纳米线/纳米带以及金属纳米颗粒/纳米线等诸多电活性物质被用于制备传感器件。其中,石墨烯具有卓越的导电性、高透明度、高比面积、优异的机械性能及生物相容性,成为制备柔性电子皮肤器件的理想材料。为提高传感器件性能,人们相继开发了微流体技术、微电动机械体系、电活性物质结构工程等诸多方法用于构筑高效传感器件。但是,这些技术制备步骤繁琐、成本昂贵。此外,已报道的压力传感器件则因较低的压敏性及与柔性电子皮肤的兼容性不佳,应用受到限制。


近日,法国斯特拉斯堡大学Artur CiesielskiPaolo Samorì等研究者以商业化的氧化石墨烯(GO)为原料,在其表面基于环氧开环反应共价接枝有机分子链,经过后续化学还原制备了高性能的导电还原氧化石墨烯(rGO)。该化学改性rGO结构中的柔性分子链结构赋予了材料优异的可压缩性,显著提升了其对压力变化的灵敏度。基于该导电活性材料构筑的类“千层蛋糕”结构压力传感器件,具有优异的灵敏度(0.82 kPa-1),在柔性电子皮肤器件中具有应用潜能。

GO表面化学修饰及压力传感器工作原理示意图。图片来源:Adv. Mater.


研究人员选用三甘醇胺(R1)、1-辛胺(R2)和4-氨基联苯(R3)三种具有相似分子链长、不同柔性的氨基功能分子分别对GO进行表面接枝改性,接枝的有机分子侧链呈柱状结构分布在石墨烯片层两侧(上图a)。通过喷涂技术将经过肼还原的化学修饰GO/乙醇溶液沉积到基底,生成多层结构高导电石墨烯膜材料。

喷涂制备rGO-R1-3多层膜。图片来源:Adv. Mater.


基于rGO表面接枝分子链的柔性不同,使得所得化学修饰rGO膜材料呈现出不同的压力敏感度。随着有机分子链柔性增加,在0 到0.6 kPa低压测试范围内器件的灵敏度逐步提升(rGO-R3:0.32 kPa-1,rGO-R2:0.47 kPa-1,rGO-R1:0.82 kPa-1)。后续的手指动态压力以及弯曲测试表明该类传感器件对动态压力同样具有优异快速响应性;其中rGO-R1器件其响应和恢复时间分别仅为24 ms和10 ms,比传统的rGO压力传感器件快3-5倍。而最低压力感应测试表明其压力监测最低达7 Pa(≈70 mg)。同时,该传感器件具有卓越的性能稳定性,3 kPa压力刺激2000余次循环测试后器件性能稳定。

压力传感器件压敏性能测试。图片来源:Adv. Mater.


基于器件高灵敏度、快速响应性和较宽的压力监测范围,该传感器件在监测人体肢体运动、脉搏、呼吸等多种生理活动都展现出优异的实用性。同时,通过器件阵列的设计可进一步实现不同压力变化空间分布信息的监测(3D mapping)。

压力传感器件实际应用性能测试。图片来源:Adv. Mater.


总结


该论文通过石墨烯片层表面接枝柔性柱状有机分子,在保证rGO高导电性的同时,显著提升了其压力敏感性。基于喷涂自组装制备了多层结构改性rGO膜材料,以此为导电组分构筑的传感器件展现出高灵敏度、超低压力监测极限(7 Pa)和卓越的性能稳定性。同时,相比于以往报道研究成果,该压力传感器件构筑方法具有制备成本低、过程简单和操作电压低(0.2 V)的独特优势。


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):

Molecule-Graphene Hybrid Materials with Tunable Mechanoresponse: Highly Sensitive Pressure Sensors for Health Monitoring

Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201804600


导师介绍

Paolo Samorì

https://www.x-mol.com/university/faculty/49826


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