ACS AMI | 金纳米颗粒自组装三维互连石墨烯微通道嵌入PDMS制备高灵敏应变和压力传感器

英文原题: Fabrication of a Sensitive Strain and Pressure Sensor from Gold Nanoparticle-Assembled 3D-Interconnected Graphene Microchannel-Embedded PDMS

通讯作者: 张丛丛, 李琴飞, 刘宏  济南大学

作者: Jian Wang, Congcong Zhang, Duo Chen, Mingyuan Sun, Na Liang, Qilin Cheng, Yanchen Ji, Haoyang Gao, Zhijie Guo, Yang Li, Dehui Sun, Qinfei Li, and Hong Liu

制造均匀、灵敏、耐用的微纹理传感材料是压力传感器和电子皮肤面临的最大挑战之一。到目前为止, 压力传感器的力传递和传感机制主要包括压阻式、压容式、压电式、以及新兴的摩擦电场效应晶体管放大机制。尽管已经提出了许多复杂的策略来实现制备高性能压力传感器, 但目前的许多研究只涉及传感器质量的一个或几个方面。电容式压力传感器的制作工艺简单, 易于集成, 但这些传感器的低灵敏度和长响应时间限制了它们的应用。压电传感器反应迅速, 但依赖于特定的压电材料, 如聚偏二氟乙烯(PVDF)或氧化锌, 与其他传感器相比灵敏度较低。大多数传统的摩擦电式晶体管传感器显示出优秀的输入和读出功能, 但它们是基于硅基板制造, 而且侧重于单模压力检测, 这使得它们不适合应用于触觉传感、可穿戴设备和智能机器人。在刚性基底上的传感器不能用来检测应力, 这限制了它们作为仿生皮肤传感器的应用。压阻式传感器的活性材料更加丰富和灵活, 且在外力作用下电阻变化更加敏感, 使其具有更广阔的应用前景。然而, 由于制备具有压阻特性的微纳米材料的难度很大, 其合成和制造是一个巨大的挑战。沉积活性层的性质在同一批次内有所不同, 不同批次的材料的微观结构和功能也有很大差异。这种变异性是设计简单的压阻式传感器尚未成功应用于实际的主要原因。因此, 如何设计和制造一种结构简明且具有压阻特性的柔性传感材料, 既能用于压力检测, 又能用于应力传感, 是研究开发仿生压阻传感器的一个重要课题。

将柔性聚合物作为基材, 石墨烯及其衍生物作为导电材料的压阻式传感器, 可以克服刚性基板压力传感器的缺点。含有石墨烯的柔性复合材料被认为是下一代可穿戴传感器最有前途的传感材料。作为一种典型的二维材料, 石墨烯具有高比表面积、高拉伸强度和优异的导电性。石墨烯的制备方法适合大规模生产, 包括机械和化学剥离法, 石墨氧化-还原法, 化学气相沉积(CVD), 和高温化学合成法等等。

近日, 济南大学前沿交叉科学研究院刘宏教授课题组提出基于金纳米颗粒自组装三维互连石墨烯微通道嵌入PDMS来制备一种高灵敏应变和压力传感器的方法。该方法生成的活性层性能十分稳定：通过CVD方法在泡沫镍片上沉积多层石墨烯纳米层,生成石墨烯涂层的泡沫镍片; 将新鲜混合的PDMS溶液经旋涂、真空处理、固化均匀地填充到多孔泡沫镍中; 化学腐蚀镍框架, 以获得三维互联石墨烯微通道嵌入式PDMS薄(GMC-PDMS); 金纳米粒子被化学地组装在GMC-PDMS膜的内壁上, 生成AuNPs-GMC-PDMS膜。表征分析结果显示该传感器的检测范围很广(〜50 kPa), 在<1、1–10和10–50 kPa的范围内分别具有5.37、1.56和0.5 kPa^-1的超高灵敏度。检测下限为4.4 Pa; 它的响应时间为15-20 ms, 应变系数高达15。这种传感材料在仿生皮肤传感器中有潜在的应用前景。作者通过评估压力应变传感装置的传感能力, 通过人体脉搏和管道膨胀的实时检测, 以及基于集成传感阵列的物体形貌识别, 展示了这种材料。

图1. AuNPs-GMC-PDMS薄膜的制备示意图, 并对每个阶段的样品进行表征。

图2. AuNPs-GMC-PDMS薄膜的表征。

图3. AuNPs-GMC-PDMS薄膜的压力传感特性。

图4. AuNPs-GMC-PDMS薄膜的应变传感特性。

图5. AuNPs-GMC-PDMS薄膜的传感器阵列。

研究成果近期发表于ACS Applied Materials & Interfaces 期刊上, 文章第一作者为济南大学前沿交叉科学研究院研三学生王建与张丛丛讲师。这项工作得到了国家自然科学基金(51902131), 山东省自然科学基金(ZR2019BEM006), 中国国家重点研究发展计划(2017YFB0405400)和山东省重大创新项目(2018YFJH0503)等基金的支持资助。

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Fabrication of a Sensitive Strain and Pressure Sensor from Gold Nanoparticle-Assembled 3D-Interconnected Graphene Microchannel-Embedded PDMS

Jian Wang, Congcong Zhang*, Duo Chen, Mingyuan Sun, Na Liang, Qilin Cheng, Yanchen Ji, Haoyang Gao, Zhijie Guo, Yang Li, Dehui Sun, Qinfei Li*, Hong Liu*

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, DOI: 10.1021/acsami.0c16152

Publication Date: November 5, 2020

Copyright©2020 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）