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二维材料MXene用于高柔性、高灵敏度的压阻传感器

文章来源:北科新材 浏览次数:2986时间:2020-08-10 QQ学术交流群:1092348845

     二维过渡金属碳化物或碳氮化物自2011年成功制备以来就受到广泛的关注,由于其表面含有官能团,因而具有亲水性,可用于重金属离子吸附和海水淡化处理;表面具有活性位点可作为催化剂的活性基底;具有大的比表面积,良好的导电性,还可用于电化学能量存储设备等。在制备MXene材料时是采用刻蚀剂将MAX相中的A元素刻蚀掉,会形成较宽的层间距,当施加外部压力时能够引起层间距的改变,因而有研究者基于Ti3C2–MXene开发出高柔性、高灵敏度的压阻传感器。

相比于光刻法等常用的制备叉指电极的方法,研究者们提出的方法更加简便易行,而且无毒无害,成本低廉。简而言之,Ti3C2–MXene基传感器包括三层,MXene层位于叉指电极和织物层的中间,先在聚酰亚胺膜上油墨印刷交叉指型结构,再磁控溅射金属形成叉指电极,进而形成软基底和导电通路;然后将聚酰亚胺膜浸到MXene的无水乙醇溶液中,取出干燥后覆上具有分级结构的织物来作为保护层。为提高稳定性,采用PDMS来密封整个设备。

 

图1所示为Ti3C2–MXene基压阻式传感器的工作原理,两个相邻层间距会在外力作用下降低,引起内电阻的降低,因而导电性会升高;图1.b为等效电路图,施加外力时整个电路的总电阻会随之下降。

 

图2: MXene的结构以及在在外力作用下的结构变化的原位TEM图像 a,b)分别为Ti3C2–MXene的横截面和平面图;c)是原位力设备; d-f)是较宽层间距的MXene在外力下的层间距变化,12nm(7s),3nm(9s)和0nm(10s);g-i) 是较窄层间距的MXene在外力下的层间距变化,5.23nm(7s),4.98nm(9s)和4.81nm(10s);

 

图2所示为采用原位透射电子显微镜来研究MXene压阻式传感器的微观动力学过程,MXene层间距会在外力作用下降低,当外力撤消时,还能够发生可逆回复,而且层间距越大越容易被压缩。

 

图3:MXene基传感器对压力的响应结果

 

在不同外加压力下探究MXene基传感器的压阻效应,I-T曲线表明其在压力小于13kPa时,电流随着压力单调上升,在每次加载和卸载中都表现出稳定而连续的特性(图3.a),良好的线性关系表明在MXene和叉指电极之间形成欧姆接触(图3.b);ΔR/Roff值在压力小于5kPa时,随压力升高急剧增加是由于MXene材料层间距的改变,在压力大于5kPa时,压力导致MXene块体之间的紧密程度增加,此时的ΔR/Roff值变化微弱(图3.c);在非常小的应变范围0.19–0.82%内,MXene基传感器具有极高的灵敏度,0.82%-1.80%范围内则变化不显著(图3.d);由于在不同弯曲角度仍能够保持良好的响应(图3.e),可将其应用在探究人体运动,且最快的响应时间小于30ms(图3.f);MXene基传感器具有机械持久性,在循环加载-卸载4000次后,传感信号仅出现小幅衰减。

    基于此传感器优异的传感特性以及可穿戴性,将其贴覆于眼角、面颊、喉咙、手指、膝盖等处可以探究人体活动,甚至可以通过微电路蓝牙系统来快速响应膝关节的运动。便携式、可穿戴的MXene-Ti3C2TX压阻式传感器在可穿戴设备和电子皮肤领域具有广阔的应用前景,进一步拓宽了MXene材料的应用领域。

 

参考文献:Yanan Ma1, Nishuang Liu1, Luying Li1, Xiaokang Hu, Zhengguang Zou, Jianbo Wang,Shijun Luo & Yihua Gao*. A highly flexible and sensitivepiezoresistive sensor based on MXene with greatly changed interlayer distances.Nature Commucation. 8:1207.

DOI: 10.1038/s41467-017-01136-9


 

 

消息来源——微信公众号:OIL实验室


 


 

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