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多层石墨烯表皮电子皮肤


作者:zxl 来源:OIL实验室 2018-10-11 09:19:32 填写您的邮件地址,订阅我们的精彩内容:

摘要:表皮传感器在电子皮肤中有重要地应用前景,近年来引起了人们的广泛关注。与传统的传感器相比,表皮传感器应该有许多特殊的特性,比如高灵敏度,更强的灵活性,良好的附着力,以及贴合性。然而,这些表皮传感器仍然存在一些缺点。例如,图案设计复杂并且制造复杂。石墨烯是一种具有优良特性的二维材料,但由于CVD石墨烯易破损,因此难以获得所需的图案以及良好的耐久性。另外,其图案设计需要光刻掩模。因此,迫切需要一种具有优异性能和良好艺术性的石墨烯表皮传感器。

关键词:石墨烯[48篇]  传感器[2758篇]  健康监测[3篇]  

  表皮传感器在电子皮肤中有重要地应用前景,近年来引起了人们的广泛关注。与传统的传感器相比,表皮传感器应该有许多特殊的特性,比如高灵敏度,更强的灵活性,良好的附着力,以及贴合性。然而,这些表皮传感器仍然存在一些缺点。例如,图案设计复杂并且制造复杂。石墨烯是一种具有优良特性的二维材料,但由于CVD石墨烯易破损,因此难以获得所需的图案以及良好的耐久性。另外,其图案设计需要光刻掩模。因此,迫切需要一种具有优异性能和良好艺术性的石墨烯表皮传感器。

  近日,《ACS Nano》发表了一篇利用激光还原石墨烯得到多层石墨烯表皮电子皮肤。并且研究人员开发了一种方法来除去未还原的氧化石墨烯。这种方法使得表皮电子皮肤不仅可以在水的帮助下转移到蝴蝶,人体和任何其他物体上,而且具有很好的灵敏度和稳定性。这些表皮传感器在健康监测,农业监测,电子标签等领域具有巨大潜力。

  如图Figure1a所示为制备全石墨烯艺术品应变传感器(TGASSs)过程。主要由氧化石墨烯(GO)涂敷、激光划刻还原和水相转移组成。激光划线工艺可以地将GO转化为多层石墨烯(LSG)。图案化后激光还原石墨烯可以被保留而氧化石墨烯被去除的原因有两个:在激光还原过程后,LSG表面变得不那么亲水,因此,在剥离过程中,LSG薄膜上会有一层气体保护层,这在GO上是找不到的;其次,激光划线基本上是热还原过程。较高的温度使基板和LSG之间的接触更紧密。图案化的石墨烯甚至可以附着在运动,皱纹和多毛的皮肤上(Figure1b)。除了转移到纸张外,该工艺也适用于许多柔性基材。

多层石墨烯表皮电子皮肤

  Figure 1石墨烯表皮电子皮肤的制造示意图

  为了测量TGASS的机电特性,将图案化传感器填充到Ecoflex层中。可以通过改变石墨烯图案来调节TGASS的性能(Figure2a)。具有单个石墨烯线的TGASS在小范围检测中显示出高灵敏度(1.5%)。而具有四条石墨烯线的TGASSs对大范围检测(7.5%)表现出优异的灵敏度。因此,可以根据检测范围和灵敏度的要求,具有不同数量的石墨烯线的TGASS适用于不同的情况。

多层石墨烯表皮电子皮肤

  Figure 2图案化石墨烯表皮电子皮肤的应变传感性能(a)1条,2条,4条石墨烯限(b)“裂纹I型”应变传感性能(c)“裂缝II型”应变传感性能

  为了研究传感机理,研究人员对TGASSs施加了不同方向的应变。在激光划刻还原过程中,光斑尺寸为100μm的激光沿y方向移动。因此,传感器由许多平行且重叠的LSG带构成。因此,不同方向有两种形式的裂纹(Figure3)。垂直于激光路线的“裂纹I型”。很明显,裂缝切断了LSG带。另一种,与激光路径平行的裂缝称为“裂缝II型”,裂缝II是相邻LSG带之间的间隙,而LSG带的结构不会被破坏。裂缝1型传感器有三个线性范围,0-2.5%,2.5-4.5%,和4.5-5%,GF分别为11,92和673(Figure2b)。而含有裂缝II的传感器显示更大的范围(10%)和更好的线性度。然而,灵敏度更差,并且在低范围(2%)中几乎没有电阻变化(Figure2c)。

多层石墨烯表皮电子皮肤

  Figure 3.两种裂缝的示意图。(a)裂缝I型.(b)裂缝II型。(c,d)裂缝I型的SEM图像。(e,f)裂缝II型的SEM图像。

  该传感器可用于呼吸检测(Figure4a)、脉搏(Figure4b)、声音等信号(Figure4c),具有广泛应用前景。

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  Figure 4图案化石墨烯传感器典型应用

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