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    南開大學梁嘉杰團隊《Nano Letter》:可印刷及可拉伸的“溫度-應變”雙參數傳感器
    2020-07-20  來源:高分子科技

      可穿戴的多重物理傳感可應用于檢測多種物理刺激(如機械變形和溫度變化),因此被認為是構建電子皮膚的關鍵部分。設計用于模擬人體皮膚功能的可拉伸物理傳感器的關鍵要求是能夠在不受干擾的情況下同時監測和分離多個物理刺激,這些來自人體的物理刺激可以為健康監測提供豐富的生理信息。當這些傳感器集成到電子皮膚是,則對性能有更高的要求。例如,溫度傳感器除了需要高的分辨外,還需要在承受大的拉伸應變并具有高的應變傳感靈敏度,以準確檢測微小應變和大應變。因此,為了使設備能夠監測人體運動和健康,可拉伸溫度和應變雙參數傳感器應能夠快速準確地進行傳感,同時在較大的拉伸應變范圍內(>50%應變),以高溫度檢測精度(<0.5℃)和高靈敏度(GF>100)區分溫度和應變刺激。然而,在實際應用中,對不同類型的信號進行無串擾的采集和處理仍然是一個巨大的挑戰。


      近日,南開大學梁嘉杰教授團隊報告一種可印刷及可拉伸的導電-熱電納米復合材料,來構建具有多級層次結構的“應變-溫度”雙參數傳感器。在這種分層傳感結構中,碲納米線(TeNWs)與導電的2D碳化鈦(Ti3C2Tx)MXene納米片和銀納米線(AgNWs)復合,可作為“無機磚”材料:PEDOT:PSS則作為“有機砂漿”材料(圖1/圖2)。利用導電MXene-AgNW網絡的裂紋擴展效應和TeNW-PEDOT:PSS的熱電效應網絡, 應變和溫度變化刺激可以同時被檢測,并分別轉換成獨立的電流和電壓信號。多層次體系結構中各功能組分之間的協同效應提高了雙參數傳感器的可伸縮性和靈敏度。一方面,該器件具有0.2 °C(未拉伸狀態下)的精確溫度分辨率,快速響應時間~1.8 s;在62%的拉伸應變范圍內應變靈敏度gauge factor >200(最大1933.3)(圖3)。另一方面,在25?40°C溫度范圍內器件可對溫度和應變刺激同時無干擾響應(圖4/圖5)。


    圖1(a) 可拉伸MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW雙參數傳感器的制作工藝和結構示意圖。在(b)施加應變,(c)施加溫度梯度,以及(d)同時施加應變和溫度刺激時,傳感器的解耦傳感機制示意圖。


    圖2(a)MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW納米復合油墨的TEM圖像(b)納米復合油墨中元素Ag、S、Te和Ti的相應EDS圖譜。(c) MXene在Ti2p區的XPS譜(d) 打印MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW納米復合薄膜的橫截面SEM圖像和(e)平面SEM圖像(f) 純MXene和MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW的XRD圖譜。


    圖3 MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW雙參數傳感器的熱傳感和應變傳感性能:(a) 紅外熱成像顯示了一個傳感薄膜的溫度分布,其中一端加熱,另一端由兩個分離的帕爾貼元件冷卻。溫度梯度為9℃。(b)在不同ΔT下測量的傳感膜的I?V曲線。(c)測量輸出電壓作為傳感器薄膜ΔT的函數(d)在ΔT為0.2°C時,未拉伸狀態下傳感膜的輸出電壓。(e) 在加熱和冷卻循環下測量傳感膜的響應時間。(f)一個加熱-冷卻循環的放大圖:加熱-冷卻循環的響應時間(青色)和加熱-冷卻循環的松弛時間(黃色)。(g)測量系數和傳感裝置的線性行為。(h) 在0-15%應變范圍內,1000次拉伸和釋放循環后,傳感器的相對電阻變化。


    圖4 MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW傳感器應變與溫度同步傳感性能研究。(a) 在不同的ΔT(0、3、6和9°C)和不同施加應變(5%、30%和60%)下測量納米復合傳感裝置的I?V曲線。(b)在不同的ΔT(1、3、6和9°C)和應變(0、20、40和60%)下傳感裝置的溫度變化。(c) 在不同的ΔT(0、5、10和15℃)下,作為傳感裝置施加應變函數的相對電阻變化。(d) 在拉伸前、250次拉伸-釋放循環后以及500次拉伸-釋放循環后,在0-15%應變之間的加熱和冷卻循環下,輸出Vtherm。


    圖5 MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW傳感器溫度和應變變化的實時監測(a) 紅外熱圖像顯示了在溫度和應變刺激下傳感裝置的溫度變化。(b) 溫度差為12℃,應變為35%時,傳感器件的實時輸出電壓和相對電阻變化。


      這種雙傳感能力,加上方便和經濟的制造工藝,使該可伸縮溫度-應變雙傳感器在多功能可穿戴電子應用中有著廣闊的前景。該研究工作發表于Nano Lett.上。論文的第一作者為南開大學材料科學與工程學院博士生李鳳超,通訊作者為梁嘉杰教授


      原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c02519 

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    (責任編輯:xu)
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