清華大學張瑩瑩AM: 一篇綜述帶你領略柔性可穿戴電子器件中碳材料的風采

【引言】

柔性和可穿戴電子產品因其在人體健康監測和智能醫療系統中具有潛在的應用而備受關注。碳材料因具有良好的導電性、本征或結構柔性、質輕、高穩定性、易于化學修飾以及規模生產等優點，而成為應用于柔性可穿戴電子器件的明星材料。因此，致力于制備具有合理設計結構的碳材料的研究，將極大地助力下一代電子器件的發展。

【成果簡介】

近日，清華大學張瑩瑩老師（通訊作者）等人在材料領域頂刊Advanced Materials上發表了題為“Advanced Carbon for Flexible and Wearable Electronics”的綜述。其詳細地回顧了碳材料在柔性可穿戴電子器件中的合理設計和可控制備方面的最新進展，介紹了用于高性能柔性電子器件的具有可控微/納結構的各種碳材料（碳納米管、石墨烯、天然生物質基碳等）的設計制備。同時回顧和討論了碳基柔性器件的制備策略、工作機理、性能和應用，包括應變/壓力傳感器、溫度/濕度傳感器、電化學傳感器、柔性導電電極/電線和柔性電源系統。此外，對多功能器件的集成也進行了簡要的討論，并總結了目前該領域存在的現有挑戰和未來機遇。文章第一作者為清華大學王春雅博士。

從左往右依次為王春雅、夏凱倫和張瑩瑩老師。

【圖文導讀】

（一）碳材料在柔性可穿戴應變/壓力傳感器的應用

圖1. 基于碳材料的柔性可穿戴應變傳感器的制備、原理與性能

碳納米管和石墨烯在可穿戴應變傳感器中的應用（左），其他碳材料在可穿戴式應變傳感器中的應用（右）。

圖2. 基于碳材料的可穿戴壓力傳感器的設計、制備及性能

碳材料在柔性壓力傳感器中的應用。

圖3. 柔性可穿戴應變/壓力傳感器的應用展示

基于碳材料的柔性可穿戴應變/壓力傳感器在人類活動監測、電子皮膚和人機交互中的應用。

（二）碳材料在柔性可穿戴溫/濕度傳感器的應用

圖4. 基于碳材料的柔性溫度傳感器的設計、制備及性能

?

圖5. 基于碳材料的柔性濕度傳感器的設計、制備及性能

碳材料在柔性濕度傳感器中的應用。

（三）碳材料在柔性可穿戴電化學傳感器的應用

圖6. 基于碳材料的柔性電化學傳感器的設計及性能

基于碳材料的柔性可穿戴電化學傳感器，用于健康相關的化學組分的無創監測。

圖7. 基于碳材料的可拉伸/自愈合柔性電化學傳感器的設計

碳材料在可拉伸/自愈合電化學傳感器中的應用。

（四）基于碳材料的柔性導電電極/導線，用于可穿戴醫療系統

圖8.碳納米管基柔性導電電極用于電生理信號檢測

圖9. 石墨烯基柔性導電電極用于電生理信號檢測

圖10. 碳材料在柔性導線中的應用

（四）碳材料在柔性能源器件中的應用

圖11. 碳材料基柔性超級電容器的設計、制備

碳納米管（左）、石墨烯（中）、生物質基碳材料（右）在柔性超級電容器中的應用。

圖12. 碳材料在柔性金屬-空氣電池中的應用設計

碳材料在柔性三明治結構鋅-空氣電池中的應用（左），碳材料在柔性纖維/電纜狀鋅-空氣電池中的應用（右）。?

（五）多功能可穿戴系統的集成

圖13. 不同功能的柔性可穿戴生理信號傳感器的集成

多功能集成式生理傳感器。

圖14. 柔性可穿戴生理信號傳感器和電化學傳感器的集成

圖15. 自供電可穿戴系統：柔性可穿戴傳感器件與柔性能源器件的集成

【小結】

該綜述總結了應用于高性能柔性可穿戴電子器件的各種碳材料的結構設計和可控制備方面的最新進展。由于碳材料獨特的優勢（例如良好的導電性、高化學和熱穩定性、可設計成各種柔性宏觀形態、以及易于化學功能化），碳納米管、石墨烯和其他碳材料已被廣泛研究應用于柔性電子器件。除了貼于人體皮膚或集成到衣物的柔性可穿戴電子器件外，將功能性碳材料與生物相容性材料的結合，以探索其在可植入式柔性電子器件中的應用，或將成為碳材料在柔性電子領域另一重要的應用研究方向。作者相信，應用于構筑柔性電子器件的先進碳材料的設計、制備和相應加工技術的開發將會極大地促進下一代智能醫療系統的發展。

【團隊介紹】

張瑩瑩課題組隸屬于清華大學化學系，兼屬清華大學微納米力學與多學科交叉創新研究中心。主要圍繞納米碳材料和絲蛋白材料的制備科學、物理與化學性能開展研究，重點發展面向柔性可穿戴系統的新型電子材料與器件。

課題組主頁：http://www.yyzhanggroup.com

團隊在該領域工作匯總：

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• Muqiang Jian, Kailun Xia, Qi Wang, Zhe Yin, Huimin Wang, Chunya Wang, Huanhuan Xie, Mingchao Zhang, and Yingying Zhang*. Flexible and Highly Sensitive Pressure Sensors Based on Bionic Hierarchical Structures. Advanced Functional Materials. 2017, 27,1606066.
• Mingchao Zhang, Chunya Wang, Huimin Wang, Muqiang Jian, Xiangyang Hao*, Yingying Zhang*. Carbonized Cotton Fabric for High Performance Wearable Strain Sensors. Advanced Functional Materials 2017, 27, 1604795.
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• Mingchao Zhang, Ke Chen, Chunya Wang, Muqiang Jian, Zhe Yin, Zhenglian Liu, Guo Hong, Zhongfan Liu, Yingying Zhang*.Mineral-templated 3D graphene architectures for energy-efficient electrodes.? 2018, 14, 1801009.
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• Chunya Wang, Kailun Xia, Mingchao Zhang, Muqiang Jian, and?Yingying Zhang*.?An All Silk-Derived Dual-Mode E-skin for Simultaneous Temperature-Pressure Detection. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017, 9 (45), pp 39484–39492
• Muqiang Jian, Chunya Wang, Qi Wang, Huimin? Wang, Kailun, Zhe Yin, Mingchao Zhang, Xiaoping Liang, Yingying Zhang.* Advanced carbon materials for flexible and wearable sensors. SCIENCE CHINA Materials. 2017, 60(11): 1026.

文獻鏈接：Advanced Carbon for Flexible and Wearable Electronics (Advanced Materials 2018, DOI: 10.1002/adma.201801072)

本文由材料人計算材料組Annay供稿，材料牛整理編輯。

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