高灵敏的超薄石墨烯薄膜应变传感器

应变传感器主要是将物体形变信号转换为可监测的电信号，进而实现其对微小形变的测量。应变传感器在军事、医疗设备、柔性器件、可穿戴器件等领域有着广泛的应用需求。一般情况下，灵敏度、线性度、迟滞性、高频信号探测、响应阈值、疲劳寿命等指标，对于应变传感器的应用非常重要。近年来受到医疗监测与可穿戴器件发展的需要，实现具有高灵敏度的应变传感器是一个重要的研究方向。因此，如何通过设计材料结构实现高灵敏的应变传感器，对微小的形变信号进行探测，对于其应用具有重要意义。

石墨烯因其独特的二维平面结构以及优异的电学与光学性质，有望在应变传感器中得到应用。以往的研究表明，调节石墨烯层片结构，实现层片之间隧道效应，可以实现在微小形变下较大的电阻变化，而现有不同合成方法制备的石墨烯薄膜普遍较厚从而限制了其应变灵敏度的提升。基于这一问题，清华大学材料学院朱宏伟教授、国家纳米科学中心方英研究员与宁波材料技术与工程研究所林正得研究员等人通过利用Marangoni 效应得到了大面积的超薄石墨烯薄膜，并基于该薄膜实现了其在小形变条件下具有超高灵敏响应的应变传感器。

作者研究表明，利用Marangoni 效应，即界面处低表面张力的溶液会向高表面张力区域扩散的现象，将石墨烯乙醇溶液注入到去离子水中，石墨烯会在水的表面快速组装成大面积均匀的超薄薄膜。该石墨烯薄膜厚度约2.5~4.5 nm，并可以通过控制溶液进给量调节薄膜内部石墨烯层片之间结构。该方法所得到的石墨烯薄膜具有合成速度快、厚度均匀、制备过程对环境友好等特点。同时，该超薄石墨烯薄膜转移到柔性基底后可以构建为应变传感器。结果表明，该石墨烯薄膜在2%形变条件下的灵敏响应系数高达1037，这主要是由于该薄膜结构在拉伸时可以充分发挥石墨烯层片之间的隧道效应而导致的较大电阻变化。在此基础上，基于石墨烯薄膜的柔性应变传感器，可以实现其对人体脉搏信号以及音频信号等的识别。该研究不仅实现了大面积超薄石墨烯薄膜的简易快速制备，还为其应用在柔性电子器件与可穿戴器件的应用提供了思路。相关工作发表在Advanced Functional Materials上（DOI: 10.1002/adfm.201504717），并被选为当期封底（Back Cover）。