石墨烯是由單層碳原子組成的六角晶格,是一種典型的二維材料。石墨烯兼具透明、導(dǎo)電、柔性、穩(wěn)定等特性,在可穿戴的柔性電子學(xué)器件應(yīng)用方面具有巨大潛力。應(yīng)力傳感器件是柔性電子學(xué)器件的一個(gè)重要分支。完美石墨烯是半金屬或者說(shuō)是零帶隙半導(dǎo)體,在面內(nèi)具有極高的機(jī)械強(qiáng)度,這使得其在應(yīng)力傳感器件應(yīng)用時(shí)主要面臨兩方面的困難:一是應(yīng)力測(cè)量范圍不大(<5%);二是測(cè)量精度不夠高(靈敏因子~2)。
針對(duì)這兩方面的問(wèn)題,中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室博士生趙靜等在導(dǎo)師時(shí)東霞、張廣宇的指導(dǎo)下開(kāi)展了以下兩方面的工作:提出了一種石墨烯波紋結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳感器,使應(yīng)力測(cè)量范圍超過(guò)30%;設(shè)計(jì)了一種基于隧穿效應(yīng)的納米石墨烯薄膜應(yīng)力傳感器,使靈敏因子提高到500以上。這種高靈敏度的應(yīng)力傳感器所采用的石墨烯是利用實(shí)驗(yàn)室自行搭建的遠(yuǎn)程等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)直接沉積到襯底上。所生長(zhǎng)的石墨烯具有納米尺寸(幾納米到幾十納米)和準(zhǔn)連續(xù)的特點(diǎn)。電流流經(jīng)這些石墨烯片層是通過(guò)隧穿效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)外界施加應(yīng)力時(shí),由于隧穿距離的增大其電阻會(huì)有顯著升高。通過(guò)調(diào)控生長(zhǎng)條件,如生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)時(shí)間等,可以改變石墨烯片層的大小和形核密度,即改變片層之間的隧穿距離,從而可以調(diào)控石墨烯薄膜的表面電阻和靈敏因子。在實(shí)際應(yīng)用中,可以根據(jù)需求選擇不同表面電阻和靈敏度的準(zhǔn)連續(xù)石墨烯來(lái)構(gòu)造應(yīng)力傳感器。
這種準(zhǔn)連續(xù)的納米石墨烯薄膜還可以轉(zhuǎn)移到柔性襯底上,制作柔性、透明的高靈敏度應(yīng)力傳感器,進(jìn)而應(yīng)用于人造電子皮膚等領(lǐng)域。這種柔性的應(yīng)力傳感器具有良好的穩(wěn)定性,在經(jīng)過(guò)大于萬(wàn)次的壓力測(cè)試后其初始電阻沒(méi)有明顯變化;響應(yīng)時(shí)間極快,只有幾毫秒,遠(yuǎn)小于人類(lèi)皮膚的響應(yīng)時(shí)間(30-50 ms);空間分辨率良好,器件之間的間距可以小到幾微米。此外,這種石墨烯電子皮膚由于厚度小,可將其粘在手指上檢測(cè)關(guān)節(jié)的活動(dòng);或者構(gòu)造集成的器件陣列以對(duì)薄膜的表面應(yīng)力分布進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。
這種基于石墨烯隧穿效應(yīng)的應(yīng)力傳感器具有可拉伸、靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、透明等特點(diǎn),其在人造皮膚、觸摸屏等方面顯示了巨大的應(yīng)用潛力。相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Nano 等期刊上。這項(xiàng)工作得到了中科院先導(dǎo)(B)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金納米制造項(xiàng)目和“973”青年項(xiàng)目的資助。
圖1.(a)人造電子皮膚。(b) 在不同生長(zhǎng)溫度下GF 隨表面電阻的增加而增大。
圖2. (a) 10000次壓力測(cè)試下的電阻實(shí)時(shí)變化圖。(b) 石墨烯應(yīng)力傳感器的時(shí)間響應(yīng)。
圖3. 電子皮膚的空間分辨率