AFM：MXene纳米颗粒-纳米片可用于高灵敏度和宽范围应变传感器

【研究背景】

近年来，可拉伸、可穿戴式应变传感器因其便携性、可折叠性、轻便性和生物相容性等优点，引起了学术界的广泛关注。敏感性(即，应变系数(GF)和拉伸性是评价应变传感器传感性能的两个重要参数。对于细微的变形，如脉搏和心跳，需要高灵敏度。同时，高的可伸展性是检测由关节运动引起的大量身体运动的基础。一般情况下，为了满足全范围人体运动检测的基本要求，应变传感器必须在全工作量程内同时具有50%以上的传感范围和大于100的测量系数。然而，灵敏度的增强和工作范围的增强是矛盾的，因为灵敏度要求在小应变下发生显著的结构变化，而拉伸性要求器件在大应变区域保持导电通路的连通性;因此，制造理想的应变传感器仍然面临着巨大的挑战。

【成果简介】

2019年，中国科学院上海硅酸盐研究所王冉冉副研究员和孙静研究员在国际知名学术期刊Advanced Functional Materials上发表一篇题目为：Strain Sensors with a High Sensitivity and a Wide Sensing Range Based on a Ti₃C₂T_x (MXene) Nanoparticle–Nanosheet Hybrid Network的研究论文，成功构建了一种用于应变传感器的独特的Ti₃C₂T_x纳米颗粒-纳米片复合网络，其拥有在全范围内(0-53%)的高灵敏度(GF>178.4)，非常低的检测下限(0.025%)和良好的循环耐久性(超过5000循环)。Ti₃C₂T_x纳米粒子与纳米片的协同运动是其优异综合性能的主要原因。发现了三个不同的传感阶段和约束微裂纹扩展机理。当拉伸时，纳米粒子的迁移和分离导致了一个大的电阻变化，而纳米薄片包裹和桥接分离的纳米粒子，在一个大应变区域内保持了导电通路的连通性。不同比例的Ti₃C₂T_x纳米颗粒和纳米片在杂化网络中表现出结构和形貌的多样性，有助于微结构的充分功能化和协同效应的最大化。Ti₃C₂T_x混合网络对基于单一纳米颗粒或薄片的传感器显示出相当高的灵敏度，但其工作范围扩大了7-10倍。

  此外，从精确的语音识别到剧烈的人体运动的人类活动检测的演示，证实了混合网络的优越性。

【图文导读】

图1. Ti₃C₂T_x合成及表征。

图2. Ti₃C₂T_x导电薄膜的SEM图。

图3.基于Ti₃C₂T_x的应变传感器的应变传感特性。

图4.传感性能比较。

图5.Ti₃C₂T_x导电膜在第一次拉伸释放周期中不同拉伸状态下的俯视SEM图像。

图6.基于Ti₃C₂T_x的应变传感器的整个拉伸过程图。

图7.基于Ti₃C₂T_x的应变传感器在监测各种生理运动时的响应信号。

【本文总结】

     本文介绍了一种基于Ti₃C₂T_x纳米粒子-纳米片复合导电网络的可伸缩应变传感器，该传感器具有高灵敏度(>178.4)、宽工作范围(0 -53%)、低检测限(0.025%)和优异的循环耐久性(超过5000循环)。通过对全范围人体运动检测的演示，验证了该混合网络具有较高的综合性能。发现了纳米粒子与纳米片的协同运动，提出了一种约束微裂纹扩展机制。纳米粒子的迁移产生了孔洞和微裂纹，纳米薄片包裹和桥接分离的纳米粒子以限制微裂纹的快速传播，从而导致了阻力的显著变化。基于裂纹机理的应变传感器具有较高的灵敏度，但由于裂纹的快速扩展会严重破坏导电路径，其工作范围通常较窄。本文提出的约束微裂纹扩展机制可能是解决这一问题的理想方案，并对传感材料和基片的微观结构设计有一定的启发意义。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.201807882.

信息来源：MXene Frontie