ACS Nano | 具有负微分电阻特性的石墨烯织物应变传感器拉伸响应成因

英文原题：Understanding the Origin of Tensile Response in a Graphene Textile Strain Sensor with Negative Differential Resistance

通讯作者：任天令，清华大学

作者：Qisheng Yang (杨其晟), Ning Liu (刘凝), Jiaju Yin (印嘉驹), He Tian (田禾), Yi Yang (杨轶), Tian-Ling Ren (任天令)

背景介绍

近年，柔性应变传感器因其在医疗保健、柔性机器人、人机交互等方面的优异表现而备受关注。传感器基底材料的机械性能直接决定了传感器的性能，其中，纺织品是一种可拉伸、适用性广、无害、可与人体皮肤进行保形接触的材料。与传感器和纺织基材的刚性组合相比，纺织物本身作为应变传感器，具有更好的灵敏度和拉伸范围，并且不需要额外的封装。纺织品应变传感器的电阻在一定阈值下随着形变增大而下降，表现出类似于隧道二极管、Gunn二极管或霍奇金-赫胥黎神经元模型的负差分电阻（NDR）效应。然而，已有的研究主要关注应变传感器中NDR效应的定性解释，缺乏对其机制的深入了解，限制了此类传感器的进一步应用。

文章亮点

近期，清华大学任天令教授在ACS Nano上发表了石墨烯织物负微分电阻响应机理研究。团队以一款典型的具有明显NDR拉伸响应的石墨烯织物应变传感器为研究对象，表征了石墨烯织物从拉伸直至断裂完整的拉伸电阻变化。拉伸过程的电阻变化表明该传感器存在至少两种响应机制：石墨烯纳米片在纺织品表面形成堆叠的导电层（图2中的film）；织物纤维内部浸染的石墨烯构成了织物的本征电阻，随纺织品纤维结构的变形而改变（图2中的fiber）。两者一同构成了石墨烯织物的电阻值。

图2. 石墨烯织物应变传感器的拉伸性能测试。

该石墨烯织物应变传感器具有稳定、灵敏、宽范围的拉伸响应性能，表现出显著的NDR效应，特别是在单纤维束水平上（图3h）。本研究中提出的织物行为模型揭示了纺织品应变传感器NDR效应的起源，与实验结果吻合。产生NDR的主要原因是纤维束内部的相对位移，而不是纤维束之间的接触电阻改变——这在过去定性的研究工作中通常被认作是织物应变传感器NDR响应的关键成因。

图3.纺织品拉伸行为模型仿真及实验结果。

得益于神经脉冲样的拉伸电阻响应，NDR织物应变传感器可应用于宽应变范围的阈值检测，图4演示了不同范围的人体运动检测。此外，NDR织物应变传感器可进一步与合适的正电阻变化传感器并联作为放大器的负载，实现低的负载阻抗和原位的信号放大。总的来说，该研究对织物应变传感器的拉伸响应机理分析对织物衬底应变传感器的设计具有重要意义。具有NDR响应的纺织品应变传感器受已有的负微分电阻电子器件/电路的启发，将来或能实现更多的系统级应用。

图4. 纺织品应变传感器的潜在应用场景。类似神经脉冲的拉伸响应在大范围的应变阈值检测、传感器端信号预处理中具有天然的优势。

总结/展望

研究团队揭示了以石墨烯织物为代表的纺织应变传感器的负微分电阻拉伸响应成因，首次在单簇纤维的层面发现存在NDR现象。基于原位拉伸电镜的观察和有限元仿真结果提出了描述NDR响应的经验模型，该模型与实验测量结果吻合。与以往研究工作中提出的假设不同，拉伸响应中NDR效应的成因来自于纤维本身形变所带来的阻值改变，而非来自纤维间接触电阻的变化。此外，织物应变传感器神经突触样的拉伸响应或在大形变下的阈值检测、传感器端数据预处理等应用场景中发挥作用。

相关论文发表在ACS Nano上，清华大学博士研究生杨其晟、研究助理刘凝、清华大学博士生印嘉驹为论文共同第一作者。清华大学集成电路学院任天令教授、杨轶副教授、田禾副教授为论文通讯作者。

通讯作者信息：

任天令 教授

任天令教授，籍贯山东省济南市，1997年博士毕业于清华大学现代应用物理系，2003年起担任清华大学微电子所（集成电路学院）教授，2011年至2012年为美国斯坦福大学（Stanford University）大学电子工程系访问教授。现为清华大学信息科学技术学院副院长，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，清华大学环境与健康传感技术研究中心副主任。

近年来，承担国家自然科学重点基金、国家重大科技专项、国家公益性行业科研专项、国家重大仪器专项、国家863计划、国家973计划等多项国家重要科技项目，做出一系列具有重要国际影响的创新学术成果。主要研究方向为新型智能微纳电子器件、芯片与系统，包括：智能传感器与智能集成系统，二维纳电子器件与芯片，柔性、可穿戴器件芯片与系统，智能信息器件与系统技术等。近期代表性创新成果包括：世界上栅极物理尺寸最小的晶体管、智能人工喉、智能人工耳膜、新型三维人机交互器件芯片、新型不挥发存储芯片、光谱可调的发光器件、智能仿生突触芯片等。在国内外重要学术期刊和会议发表论文700余篇，包括Nature、Nature Electronics、Nature Communications、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、ACS Nano、Nano Letters、IEEE Electron Device Letters、IEEE Journal of Solid-State Circuits、Biosensors & Bioelectronics、Nanoscale、Carbon、IEEE Transactions on Electron Devices、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques、IEEE Sensors Journal等重要SCI期刊论文，以及国际微电子领域顶级学术会议IEDM论文（15篇）。荣获Elsevier评选的“中国大陆高被引学者”（2018、2019、2021年）。获得国内外发明专利70余项。

近年来，担任或曾任IEEE电子器件学会副主席（中国大陆首次）、国际微电子领域顶级学术会议IEDM执委（中国大陆首次）、IEEE电子器件学会教育委员会主席（中国大陆首次）、中国微米纳米技术学会理事、中国仪器仪表学会微纳器件与系统技术分会常务理事、IEEE电子器件学会Distinguished Lecturer、IEEE EDTM 执委、IEEE Journal of Electron Device Society编委、IEEE Transactions on Nanotechnology 编委和Scientific Reports编委等重要学术任职。

主页链接：https://www.ime.tsinghua.edu.cn/info/1015/1035.htm

ACS Nano 2022, ASAP

Publication Date:September 12, 2022

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c04348

Copyright © 2022 American Chemical Society