印章转移法“拓”出柔性应变传感器
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2019-11-20 18:02
|系统分类:论文交流|
印章转移法, 柔性力学传感器, 电学性能, 硅橡胶, 碳纳米管
Direct Patterning of Carbon Nanotube via Stamp Contact Printing Process for Stretchable and Sensitive Sensing devices
Binghao Liang, Zian Zhang, Wenjun Chen, Dongwei Lu, Leilei Yang, Rongliang Yang, Hai Zhu, Zikang Tang, Xuchun Gui*Nano-Micro Lett.(2019)11:92
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0323-8
1 基于碳纳米管与硅橡胶之间的范德瓦耳斯相互作用力，利用印章转移法实现了碳纳米管透明导电薄膜的制备。
2 基于印章转移法制备的碳纳米管透明导电薄膜，具有优异性能。其在拉伸、扭曲和弯折1000次后，其电学性能仍保持稳定。
3 基于该碳纳米管薄膜构建的柔性力学传感器具有超高灵敏度。
研究背景
柔性电子器件已经广泛的应用在柔性电子、软体机器人和可植入医疗器件中。而柔性应变传感器则是最必不可少的柔性电子器件之一。应变传感器的可拉伸性和贴合性是其两大重要特性。总的来说，应变传感器的性能指标包括灵敏度、稳定性和响应速度等。这些性能不仅取决于传感器的柔性基底，同时也会受导电材料的影响。目前，研究人员通过材料结构设计和特殊材料改进，制备了性能优异的应变传感器。然而，如何高效、低成本和环保地将导电材料与柔性基底结合，并制备高性能的柔性传感器，仍然是一个技术上的难点。
中山大学汤子康教授团队研制出一种基于印章转移法制备碳纳米管薄膜的新技术，该方法可以简单、高效的实现图形化碳纳米管薄膜的批量制备。同时利用该方法制备的碳纳米管薄膜可以组装成高性能的柔性应变传感器，该传感器可以测量人体运动的多种信号。梁秉豪博士为论文的第一作者、桂许春副教授为论文的通讯作者。将导电材料分散在有机溶液中，可以利用旋涂、浸渍提拉和直接印刷等技术制备柔性导电薄膜。利用上述方法可以构建高灵敏度的柔性传感器，但是导电材料的结构在分散、转印时容易遭到破坏，导致其导电性能下降。同时，大部分的有机溶剂会对柔性基底造成一定程度的破坏。利用干法转移可以在一定程度上解决上述问题。目前也有一些相关报道，例如利用激光烧蚀技术可直接制备石墨烯网络。然而，利用这些方法制备柔性导电薄膜的效率较低，同时成本较高。
本文提出了一种低成本、环境友好型的印章转移技术，利用该技术可以实现碳纳米管的柔性导电薄膜的批量制备。受传统印章技术的启发，我们利用多孔碳纳米管块体作为印章和印泥，硅橡胶作为基底。由于硅橡胶和碳纳米管之间的相互作用力较强，当他们相互接触后，硅橡胶表面会粘附一层碳纳米管薄膜。利用该碳纳米管薄膜构建的柔性应变传感器，在应变为85%时，其灵敏度高达9960。利用印章转移法制备碳纳米管薄膜的方法，如图1所示。利用该方法制备的碳纳米管薄膜具有较好的导电性和柔性。碳纳米管均匀分散在基底上，形成完整的导电网络。通过物理掩膜的方式可以得到任意图形的碳纳米管透明导电薄膜。图1 碳纳米管透明导电薄膜及其制备流程。(a)制备装置示意图; (b)碳纳米管印章; (c)多孔碳纳米管块体实物照片; (d)碳纳米管块体扫描电镜照片; (e)转印的碳纳米管碳纳米管薄膜扫描电镜照片; (f)图形化的碳纳米管薄膜。通过改变印章转移法中的工艺参数，可以调节碳纳米管薄膜的性能。如图2所示，通过增加压印压力和压印次数，可以降低碳纳米管薄膜的电阻。在经过紫外臭氧处理后，碳纳米管和基底之间的相互作用力大大增加。该碳纳米管透明导电薄膜在1000次拉伸、弯折和扭曲后，电学性能可以保持不变。图2 碳纳米管薄膜的性能表征: (a,b,c)导电性; (d,e,f)性能稳定性。III 基于碳纳米管的应变传感器的性能表征
我们将利用印章法制备的碳纳米管透明导电薄膜组装成应变传感器。该传感器具有很高的灵敏度系数（9960），同时也具有较好的可拉伸性能（85%）。在5000个拉伸循环中，传感器的性能稳定。与文献报道中的多种应变传感器进行对比，我们利用印章转移法制备的应变传感器在灵敏度和可拉伸性的综合性能上具有较大的优势。图3 碳纳米管柔性应变传感器性能表征：(a,b) 应变传感器力学响应曲线; (c,d,e) 传感器循环稳定性能; (f) 应变传感器性能对比。如图4所示，基于碳纳米管的应变传感器可以测量人体的多种力学信号。包括关节活动，脉搏和呼吸信号。同时，该应变传感器能够应用在智能机器人中，试试测量机器人的运动状态。例外，利用该传感器还能测量微弱的声音信号。
图4 应变传感器的应用展示; (a,b,c)关节活动测量; (d,e,f)人体微弱信号测量; (g,h,i)声音信号测量。
桂许春
(本文通讯作者)
中山大学电子与信息工程学院
副教授、博士生导师
碳纳米材料和二维原子晶体材料的可控合成及其在柔性传感器、光电器件、微波吸收与屏蔽中的应用研究，特别是碳纳米管海绵体的制备与应用研究。▍主要研究成果
2011年毕业于清华大学获工学博士学位。主持（或完成）了国家自然科学基金、广东省自然科学杰出青年基金等项目的研究。入选“广东特支计划”科技青年拔尖人才、“香江学者”计划、广东省杰青、广州市珠江科技新星等计划。在Advanced Materials, Nano Letters等国际期刊发表SCI论文90余篇，被引用4100余次，其中第一作者单篇最高引用900余次，H因子31；获授权国家发明专利10余项。Email: guixch@mail.sysu.edu.cn
梁秉豪
广东省电信规划设计院工程师
▍主要研究成果
2019年毕业于中山大学电子与信息工程学院，获工学博士学位。在Advanced Functional Materials，Small，Nano-Micro Letters等国际期刊发表SCI论文10余篇，被引用200余次，申请国家发明专利5项。
Email: liangbh5@mail2.sysu.edu.cnNano-Micro Letters 是上海交通大学主办的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的最新高水平科研成果与评论文章及快讯，在 Springer 开放获取（open-access）出版。可免费获取全文，欢迎关注和投稿。
E-mail：editorial_office@nmletters.org
https://blog.sciencenet.cn/blog-3411509-1206909.html
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