可控层间距MXene柔性传感器

【研究背景】

与石墨烯类似，MXenes材料具有比表面积大、导电性高、强度好等优良特性。基于上述特点，MXenes材料已经有很多重要的应用，如水净化、锂离子电池、超级电容器等。然而由于MXenes是通过选择性刻蚀掉MAX相的“A”层元素制备得到的，所以MXenes的相邻层间距可以通过压缩来简单控制。因此可以用MXenes材料制备压力传感器。

目前，压力传感器主要有三种类型，压电式、压阻式和电容式。其中，压阻传感器是一种将外界压力转换成电阻信号的传感器，由于其制造成本低、信号采集容易、在智能显示器、皮肤感应电子设备和便携式医疗监护仪等方面的重要应用而受到广泛关注。

碳材料及其复合材料，由于具有宏观结构的变形特性，被广泛应用于高灵敏度的柔性可伸缩压阻传感器中。然而由于复杂的制备工艺以及碳材料本身的结构这些缺点，促使科学家寻找新的材料或一个有简单的层间原子运动的结构，以降低成本，简化步骤，特别是重要的是提高灵敏度，以满足现实的要求。由于MXenes层间距离较宽，因此在外界压力下具有较高的灵敏度和灵活性，可以满足对人类眨眼、脸颊鼓突等细微活动的检测要求。

【成果简介】

2017年，华中科技大学物理学院与武汉光电国家实验室双聘教授高义华团队研制了一种基于Ti₃C₂-MXene的柔性压电传感器，其具有快速的响应、高的可压缩性和灵敏度，并对一系列人体响应做了检测。该成果在线发表于Nature Communications: A highly flexible and sensitive piezoresistive sensor based on MXene with greatly changed interlayer distances

【图文导读】

图1 MXenes压阻传感器工作的微观结构：(a) 在外力作用下，传感器中两个相邻的MXenes夹层之间的距离减小。两个层间的宽间距(Dw)更容易被压缩，而窄间距(Dn)压缩比更小，(b)基于MXenes的压阻传感器的等效电路图，其中总电阻因距离减小而减小。

图2 MXenes的典型微观结构和在外力作用下的原位动态过程。(a) MXenes的横截面的TEM图，内部图片显示了层状结构，(b) MXenes的俯视图的HRTEM图，内部是相应的衍射图，表现出良好的六边形特征，(c)在原位力仪中，用锥形针尖支撑的纳米压头局部施加在FIB处理过的MXenes样品上。(d)-(f)在外力作用下，MXenes中较宽的距离在7、9、10 s依次从~12 nm、经~3 nm到~0 nm处迅速减小, (g)-(i)用红线标记的较窄的距离(4个间隔)依次为5.23 nm、4.98 nm和4.81 nm, (j)-(l)利用数字显微照相软件进行分析。从g的初始状态测量，h、i状态的应变值分别为4.78和8.03%。a, b是4nm, c是200nm, d-f是40nm, g-i是20nm。

图3 MXenes传感器的压力响应。(a) 在13kpa压力下的I-T曲线。电流随压力的增加而单调地增加，(b) I-V曲线的线性关系表明了MXenes与叉指电极间的欧姆接触，(c)压力小于5 kPa时,ΔR /R_off作为压力的函数急剧增加，超过5 kPa时，增长速度减缓。由误差条显示的数据的SD在1.44-8.21%的范围内，是通过分析每种压力下的五组数据计算出来的，(d)ΔR /R_off与应变的关系。GF最高为180.1。由误差条表示的数据的SD在0.26-1.78%范围内，是通过分析每一应变值下的四组数据计算得到的，(e) 在不同弯曲角度下的I-T关系，(f)一条I-T曲线的局部放大，显示其响应时间小于30毫秒。(g)在增加或去除负载时，输出电流和外部压力保持良好的同步。(h) 电阻变化率ΔR / R_off保持良好的稳定性。

图4 MXenes传感器被用来探索人类的各种活动。对应眨眼(a)、脸颊鼓起(b)和喉咙吞咽(c)等微小变化所以引起的传感器的电流变化被精确记录，(d)-(f)肘关节(d)、手指(e)和脚踝(f)的弯曲-伸展运动引起的传感器电流变化，(g) 膝关节弯曲-伸展的I-T曲线，(h)传感器与植入蓝牙的微电路串联，将电流信号转换为手机信号，(i) 植入蓝牙的微电路的膝关节运动在振幅和形状上与Agilent设备的膝关节运动非常相似，但频率更快。

图5制备的4×4微米的传感器阵列。(a)4×4 MXenes传感器像素阵列检测压力分布(标尺为5mm)，(b)一块手表放在传感器阵列上，(c) 记录并测量每个像素对应的输出。颜色对比在c映射局部压力分布时与b图中手表位置一致。

【本文总结】

根据层间距离在外力作用下发生较大变化的基本特性，研制了一种高柔性、高灵敏度的MXenes压阻传感器。原位TEM研究直接阐明了压阻式传感器的基本工作机理。该传感器响应速度快、稳定性好，在探测微小的人类活动和其他弱压力方面有着广泛的应用。本文的GF值达到180.1，明显高于其他报道。这是第一个利用MXenes (Ti₃C₂)的压阻传感器，为其他MXenes的应用开辟了一个新的领域。

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