江苏大学：使用高质量石墨烯纳米壁进行柔性应变传感器的无转移制备

成果简介

最近，柔性机械刺激传感器在可穿戴设备和软机器人领域引起了广泛关注。由于垂直石墨烯纳米壁（VGNs）具有高拉伸性，因此成为柔性应变传感器的理想候选材料。本文，江苏大学王权 教授团队中国科学院上海微系统与信息技术研究所吴天如 副研究员等在在《SENSOR ACTUAT A-PHYS》期刊发表名为“Transfer-free preparation of flexible strain sensors using high quality VGNs”的论文，研究利用电感耦合等离子体化学气相沉积（IC-PECVD）方法，在 600 ℃ 下的氟锂云母基底上成功制备了基于无转移 VGNs 的柔性应变传感器。通过增加 H2 与 CH4 的比例，生长的 VGNs 的质量得到明显改善。在电极间直接制备的 VGNs 能改善 VGNs 与电极间的界面接触。弯曲试验结果表明，在数字间电极上直接生长 VGNs 的柔性传感器具有良好的性能。套管与传感器的结合表明，无转移柔性应变传感器可在可穿戴设备中发挥良好的性能。

图文导读

图1.（a） PECVD方法示意图。（b） 氟金云母上垂直石墨烯的数字图片。（c）高质量VGNs的拉曼光谱。（d）在氟金云母上制备的VGNs的高倍率SEM图像。（e） 在氟金云母上制备的VGNs的透射电镜。

图2. (a) 用不同比例的 H2 和 CH4 制备的 VGN 的拉曼光谱。(b) 不同 H2 和 CH4 比例制备的拉曼光谱的 ID/IG 和 FWHMG。(c)-(e) 不同 H2 与 CH4 比例（10:1、40:3、20:1）下 VGN 的拉曼 ID/IG 图谱。

图3：VGN 的扫描电镜

图5. (a) 无转移柔性传感器的制备。(b)Interdigital electrode on fluorphlogopite mica and VGNs on the interdigital electrode。(c) 柔性传感器的数字图像和弯曲图。(d) 弯曲过程中 VGN 的微观变化示意图。

图6. (a) 测试系统示意图。(b) 柔性传感器示意图。(c) 柔性传感器的灵敏度图。(d) 传感器的响应曲线。(e) 不带数字间电极的传感器的响应和恢复时间。(f) 带有数字间电极的传感器的响应和恢复时间。(g) 传感器在 0.12% 应变下的循环测试曲线。

图8. 身体不同部位的柔性传感器应用图片

小结

由于荧光云母耐高温，我们可以直接在 PECVD 装置的互电极上制备 VGN。在温度超过 600 ℃、射频源功率超过 300 W、氢气和甲烷的气体流量比大于 20：1 的条件下，可以制备出缺陷密度低、结晶度好的垂直石墨烯。柔性传感器具有良好的弯曲灵敏度（GF as156）、较低的响应时间和恢复时间（响应时间 79 毫秒，恢复时间 94 毫秒）。我们测试了传感器在不同弯曲角度下的电气性能。结果发现，0° 至 180°的弯曲角度具有良好的响应性能。这种出色的弯曲性能可用于可穿戴设备。在下一步工作中，我们将研究纳米云母片层结构的特性，以便通过进一步优化制备技术来提高材料的性能和稳定性。此外，我们还利用基于 VGNs 的传感器来监测人体的手部握力、肘部弯曲、跑步和行走状态。结果表明，无转移制备的柔性传感器具有良好的性能，并揭示了无转移 VGNs 在柔性可穿戴设备中的潜在应用。

文献：https://doi.org/10.1016/j.sna.2023.114949