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  近年來，“大數(shù)據(jù)”、“人工智能”逐漸成為發(fā)展熱點(diǎn)，柔性電子器件的研發(fā)也因此受到很高的關(guān)注度，壓力傳感器，是柔性電子技術(shù)的核心器件，在制備過程中，如何進(jìn)行材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是壓力傳感器高性能化的關(guān)鍵問題。

  褶皺結(jié)構(gòu)在自然界中廣泛存在，通常是因受力不均而產(chǎn)生的彎曲變形，如人體皮膚表面便存在大量的褶皺結(jié)構(gòu)。

  近期，北京化工大學(xué)潘凱研究員與鄧建平教授合作，將褶皺結(jié)構(gòu)引入壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過控制柔性基底的拉伸比等條件，成功制備出規(guī)則且具有連續(xù)梯度褶皺結(jié)構(gòu)的柔性壓力傳感器。在壓力傳感器中引入褶皺結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于：（1）能夠?qū)崿F(xiàn)材料由二維結(jié)構(gòu)向三維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，提高材料的比表面積，增大活性材料間相互接觸作用的潛在空間性；（2）可以通過前期對(duì)彈性基底拉伸比率等條件的控制，優(yōu)化材料的柔性及拉伸性能；（3）同時(shí)褶皺結(jié)構(gòu)的獨(dú)特形貌，也更利于器件性能保持良好穩(wěn)定性。故這種具有褶皺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的壓力傳感器可表現(xiàn)出較高的靈敏度，良好的柔性及優(yōu)異的穩(wěn)定性，可以用于人體生理運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，壓力定位檢測(cè)等多方面。

圖1 連續(xù)梯度褶皺結(jié)構(gòu)的制備示意圖

  結(jié)合褶皺形成的特點(diǎn)，還進(jìn)一步提出“連續(xù)梯度”這一概念，利用氧化石墨烯（GO）作為材料前驅(qū)體，通過控制柔性基底的拉伸比率及宏觀調(diào)控，成功制備具有梯度變化的規(guī)律性褶皺結(jié)構(gòu)的石墨烯基復(fù)合膜。圖1所示是該種連續(xù)梯度褶皺的石墨烯基復(fù)合膜的兩種制備路徑，即褶皺結(jié)構(gòu)排列方向與梯度方向平行或垂直。

圖2 連續(xù)梯度褶皺結(jié)構(gòu)（褶皺結(jié)構(gòu)排列方向與梯度方向平行）壓力傳感器形貌表征圖

圖3 連續(xù)梯度褶皺結(jié)構(gòu)（褶皺結(jié)構(gòu)排列方向與梯度方向平行）壓力傳感器性能及傳感機(jī)理圖

  圖2是路徑一所制備的連續(xù)梯度壓力傳感器結(jié)構(gòu)表征。SEM圖中可明顯地看出褶皺結(jié)構(gòu)排列方向與梯度方向平行的連續(xù)梯度褶皺結(jié)構(gòu)，排列相對(duì)規(guī)則。進(jìn)一步將GO前驅(qū)體還原后，獲得導(dǎo)電性優(yōu)異且具有空腔組成的rGO褶皺，空腔結(jié)構(gòu)的存在為傳感器穩(wěn)定性及高靈敏度奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。此壓力傳感器的作用機(jī)理如圖3所示，由于連續(xù)梯度褶皺的存在，傳感器會(huì)與平面本身存有一個(gè)角度，隨著施加壓力的改變，褶皺與電極的接觸狀態(tài)不同，接觸面積也隨之改變，使得傳感器在不同壓力范圍內(nèi)，表現(xiàn)出相應(yīng)的優(yōu)良性能。

圖4 連續(xù)梯度褶皺結(jié)構(gòu)（褶皺結(jié)構(gòu)排列方向與梯度方向垂直）壓力傳感器制備示意圖

圖5 連續(xù)梯度褶皺結(jié)構(gòu)（褶皺結(jié)構(gòu)排列方向與梯度方向垂直）壓力傳感器微結(jié)構(gòu)及傳感機(jī)理圖

  圖4是路徑二所制備的連續(xù)梯度壓力傳感器示意圖及結(jié)構(gòu)表征，該褶皺結(jié)構(gòu)排列方向與梯度方向相互垂直，與人體皮膚的構(gòu)造非常相似，且將前驅(qū)體材料還原后，由于氣態(tài)物質(zhì)的產(chǎn)生，褶皺表面形成了圓頂狀的微觀結(jié)構(gòu)，rGO也發(fā)生層間膨脹，片層間間距增大。由于這兩種微結(jié)構(gòu)的存在，不同壓力下褶皺結(jié)構(gòu)存在的形態(tài)具有明顯差異，顯示出多級(jí)敏感性。如圖5所示，該壓力傳感器表現(xiàn)出四段式優(yōu)異靈敏度。該工作已作為Back Cover發(fā)表于Nanoscale。

圖6 Back Cover

  以上相關(guān)成果文章鏈接：

  Wavelength-Gradient Graphene Films for Pressure-Sensitive Sensors 發(fā)表于Advanced Materials Technologies, 2018, 

  DOI: 10.1002/admt.201800363，潘凱研究員與鄧建平教授為共同通訊作者，第一作者為碩士研究生王銘銻、邱遠(yuǎn)游。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/admt.201800363

  Skin-inspired flexible and high-sensitivity pressure sensors based on rGO films with continuous-gradient wrinkles 發(fā)表于Nanoscale, 2019,

  DOI: 10.1039/C8NR08503J，

  潘凱研究員與鄧建平教授為共同通訊作者，第一作者為碩士研究生賈進(jìn)。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/nr/c8nr08503j