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阿卜杜拉國王科技大學Vincent Tung教授、韓宇教授等 ACS Nano:新型石墨炔納米薄膜用于超薄柔性皮膚傳感
2022-09-24  來源:高分子科技

  能夠柔韌地貼合在人體表皮且可用于無創、特異性和多功能傳感檢測的薄膜電子元件是構建未來理想的可穿戴系統的重要部分,其可以附著在非平面且動態移動的物體表面,在測試人體微小形變和生理信號等,在對人體的實時健康監控和人機信息交互方面具有廣泛的應用前景和科學研究價值。然而目前器件微結構的設計和新型材料的復合等改進方法依然存在性能缺陷,制備超薄的、具有良好貼合性的、且不影響人體皮膚真實觸感的高靈敏傳感器面臨著很大挑戰。


  近期,沙特阿卜杜拉國王科技大學Vincent Tung教授、韓宇教授和香港大學Lain-Jong Li教授等合作報道了利用化學氣相沉積法制備新型超薄碳材料-石墨炔薄膜(Hydrogen-substituted graphdiyne, HsGDY),并用于具有良好貼合性的柔性微電子傳感器。該電子皮膚器件展現出對微小形變(壓縮/拉伸)的高靈敏度、快速響應和耐久性,為開發下一代碳材料薄膜用于有機生物電子器件提供了新思路。該工作以“Graphdiyne-Based Nanofilms for Compliant On-Skin Sensing”為題發表在《ACS Nano》上 (doi:10.1021/acsnano.2c06169)。文章第一作者是蔡依晨申杰 


1:化學氣相沉積法制備石墨炔納米薄膜(HsGDY


  研究發現,單體分子1,3,5-三乙基苯(TEB) Cu111基板上可以耦合并橫向生長,同時在垂直方向堆疊形成多層薄膜,因此形成了一種含有很多納米晶粒以及導電網絡的微觀復合結構(圖1)。這種導電的納米共軛薄膜在微小形變下,內部的電荷躍遷會發生很大變化,因此具有很強的應變感知能力(圖2 



2HsGDY透明薄膜和其應變反應機理研究


  研究者將該薄膜轉移至超薄的PET基板上并研究了其電信號隨機械響應特征,并制備了不同的傳感陣列,器件在-2%-2%的應變范圍表現出很高的靈敏度,同時具備快速的響應和恢復能力(60 ms)以及長期的耐久性和重復性(5000次循環)。將器件貼在人體皮膚上,由于其超薄的厚度(10 μm和良好的貼合性,跟塊狀器件相比,其可以降低外界噪音,收集更多來自人體的生理信號,從而提高了器件信噪比。在應用方面,其可以用于檢測和感知人類的面部微表情,手指按壓幅度,監測人造血管的微小形變等。甚至將器件貼在鼻子下方,通過感應人體吸入和呼出氣體溫度的不同來反饋人體的健康和生理狀況(圖3 


3:器件對人體吸入和呼出氣體的溫度差異做出電信號反饋


  該研究展現了一種可控的化學氣相沉積法制備超薄導電的碳材料薄膜,這種薄膜具有類似人體皮膚的本征柔性,并且作者們將其成功制備成為貼合性很好的電子皮膚傳感器。HsGDY薄膜內部納米晶粒結構和導電網絡使其具有獨特的遂穿導電性,對于微小形變具有很強的感應能力。通過改變單體或者化學耦合方式,可以在分子水平上調節材料特性和傳感能力,下一代超薄生物電子提供了新的思路。 


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c06169

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(責任編輯:xu)
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