西南交通大學楊維清課題組 Adv. Funct. Mater：多維感知–MXene基柔性多功能微力傳感器

【引言】

柔性可穿戴電子設備在人體健康監測，智能機器人，人機界面等領域發揮著越來越重要的作用。其中，在體積有限的前提下實現更多信息的感知便是這類設備的一個追求目標。現有的多功能檢測的方式一般是將擁有不同傳感能力的傳感器機械的整合，通過分別檢測對應的信號實現的。在電子設備小型化，柔性化，可穿戴的發展趨勢下，這種傳統的方式在體積越來越有限的電子設備中難以實現。所以在緊湊設計單體結構的器件上實現多種信號的檢測便是一種發展方向。

MXene是一種新型的二維材料，它是由過渡族金屬形成的碳氮化物。它是通過利用HF刻蝕掉前驅體材料MAX中的金屬“A”，形成MXene材料。刻蝕過后的MXene呈現一種手風琴狀的層片狀結構，同時具有良好的導電性。在壓力作用下，MXene層片狀的間距發生變化使得材料本身電導率也隨之發生變化，這種特性使得其成為一種優異的壓阻敏感性材料。

【成果簡介】

在西南交通大學材料學院楊維清教授和青年教師鄧維禮的指導下，課題組學生高育育和閆成利用這種MXene材料以及微結構限域效應的設計，研制了一種具有多功能檢測能力的微力傳感器。研究結果表明，在外力作用下，MXene內部的層片間距以及MXene顆粒之間的間距都會產生相應的壓縮，這種相互之間的擠壓使得MXene材料構成敏感層的電導率產生改變，從而使其電阻值隨之發生變化。為進一步提升MXene在壓力下的形變空間，研究者利用微溝道結構的限域作用，使得MXene在器件中的分布形成了三維立體堆疊結構。實驗證明在這種可壓縮材料和溝道限域效應的協同作用下，器件的檢測靈敏度可達99.5 kPa^-1，,最低可以實現9 Pa超低壓強的檢測,同時具有極短的響應時間（4 ms）,并且在10000周的循環壽命測試后，壓力檢測性能幾乎沒有衰減。此外，該傳感器能夠實現對人體脈搏，喉嚨微動，物體加速度甚至聲音信號的檢測，展示了該傳感器的超高靈敏度。這種單結構的設計思路夠在實現多功能檢測的同時有效的降低傳感元件在電子器件中的體積占比，為未來傳感器的開發提供了一種新的思路。相關研究成果已發表在Wiley旗下期刊Advanced Functional Materials（DOI:10.1002/adfm.201909603）上。

【圖文導讀】

Figure 1? 器件概覽

a.器件結構圖
b.微溝道結構的白光干涉圖
c.陣列化器件

Figure 2 器件工作機理探究

a.MXene工作機理
b.不同深度溝道下所制備器件的性能表征
c.不同深度溝道下的SEM圖及MXene在溝道中受壓FEA結果

Figure 3 器件基礎電學性能表征

a.將微小物體放在器件上
b.器件在9Pa 壓強下對應的傳感信號
c.器件響應時間信號
d.器件串聯LED，在不同壓力下的亮度
e.循環壽命測試

Figure 4 器件多功能化測試

a.測試人體體征信號
b.測試人說話時喉嚨的微動信號
c.測試手腕處脈搏信號
d-e)測試近距離下不同聲音的響應信號
f.測試振動平板上的響應信號

論文地址：DOI:10.1002/adfm.201909603，https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201909603。

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