【研究背景】

與石墨烯類似，MXenes材料具有比表面積大、導(dǎo)電性高、強(qiáng)度好等優(yōu)良特性?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，MXenes材料已經(jīng)有很多重要的應(yīng)用，如水凈化、鋰離子電池、超級(jí)電容器等。然而由于MXenes是通過(guò)選擇性刻蝕掉MAX相的“A”層元素制備得到的，所以MXenes的相鄰層間距可以通過(guò)壓縮來(lái)簡(jiǎn)單控制。因此可以用MXenes材料制備壓力傳感器。

目前，壓力傳感器主要有三種類型，壓電式、壓阻式和電容式。其中，壓阻傳感器是一種將外界壓力轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)的傳感器，由于其制造成本低、信號(hào)采集容易、在智能顯示器、皮膚感應(yīng)電子設(shè)備和便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀等方面的重要應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注。

碳材料及其復(fù)合材料，由于具有宏觀結(jié)構(gòu)的變形特性，被廣泛應(yīng)用于高靈敏度的柔性可伸縮壓阻傳感器中。然而由于復(fù)雜的制備工藝以及碳材料本身的結(jié)構(gòu)這些缺點(diǎn)，促使科學(xué)家尋找新的材料或一個(gè)有簡(jiǎn)單的層間原子運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，以降低成本，簡(jiǎn)化步驟，特別是重要的是提高靈敏度，以滿足現(xiàn)實(shí)的要求。由于MXenes層間距離較寬，因此在外界壓力下具有較高的靈敏度和靈活性，可以滿足對(duì)人類眨眼、臉頰鼓突等細(xì)微活動(dòng)的檢測(cè)要求。

【成果簡(jiǎn)介】

2017年，華中科技大學(xué)物理學(xué)院與武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室雙聘教授高義華團(tuán)隊(duì)研制了一種基于Ti3C2-MXene的柔性壓電傳感器，其具有快速的響應(yīng)、高的可壓縮性和靈敏度，并對(duì)一系列人體響應(yīng)做了檢測(cè)。該成果在線發(fā)表于Nature Communications: A highly flexible and sensitive piezoresistive sensor based on MXene with greatly changed interlayer distances?

【圖文導(dǎo)讀】

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圖1 MXenes壓阻傳感器工作的微觀結(jié)構(gòu)：(a) 在外力作用下，傳感器中兩個(gè)相鄰的MXenes夾層之間的距離減小。兩個(gè)層間的寬間距(Dw)更容易被壓縮，而窄間距(Dn)壓縮比更小，(b)基于MXenes的壓阻傳感器的等效電路圖，其中總電阻因距離減小而減小。

圖2 MXenes的典型微觀結(jié)構(gòu)和在外力作用下的原位動(dòng)態(tài)過(guò)程。(a)?MXenes的橫截面的TEM圖，內(nèi)部圖片顯示了層狀結(jié)構(gòu)，(b) MXenes的俯視圖的HRTEM圖，內(nèi)部是相應(yīng)的衍射圖，表現(xiàn)出良好的六邊形特征，(c)在原位力儀中，用錐形針尖支撐的納米壓頭局部施加在FIB處理過(guò)的MXenes樣品上。(d)-(f)在外力作用下，MXenes中較寬的距離在7、9、10 s依次從~12 nm、經(jīng)~3 nm到~0 nm處迅速減小, (g)-(i)用紅線標(biāo)記的較窄的距離(4個(gè)間隔)依次為5.23 nm、4.98 nm和4.81 nm, (j)-(l)利用數(shù)字顯微照相軟件進(jìn)行分析。從g的初始狀態(tài)測(cè)量，h、i狀態(tài)的應(yīng)變值分別為4.78和8.03%。a, b是4nm, c是200nm, d-f是40nm, g-i是20nm。

圖3?MXenes傳感器的壓力響應(yīng)。(a)?在13kpa壓力下的I-T曲線。電流隨壓力的增加而單調(diào)地增加，(b)?I-V曲線的線性關(guān)系表明了MXenes與叉指電極間的歐姆接觸，(c)壓力小于5 kPa時(shí),ΔR /Roff作為壓力的函數(shù)急劇增加，超過(guò)5 kPa時(shí)，增長(zhǎng)速度減緩。由誤差條顯示的數(shù)據(jù)的SD在1.44-8.21%的范圍內(nèi)，是通過(guò)分析每種壓力下的五組數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的，(d)ΔR /Roff與應(yīng)變的關(guān)系。GF最高為180.1。由誤差條表示的數(shù)據(jù)的SD在0.26-1.78%范圍內(nèi)，是通過(guò)分析每一應(yīng)變值下的四組數(shù)據(jù)計(jì)算得到的，(e) 在不同彎曲角度下的I-T關(guān)系，(f)一條I-T曲線的局部放大，顯示其響應(yīng)時(shí)間小于30毫秒。(g)在增加或去除負(fù)載時(shí)，輸出電流和外部壓力保持良好的同步。(h) 電阻變化率ΔR / Roff保持良好的穩(wěn)定性。

圖4 MXenes傳感器被用來(lái)探索人類的各種活動(dòng)。對(duì)應(yīng)眨眼(a)、臉頰鼓起(b)和喉嚨吞咽(c)等微小變化所以引起的傳感器的電流變化被精確記錄，(d)-(f)肘關(guān)節(jié)(d)、手指(e)和腳踝(f)的彎曲-伸展運(yùn)動(dòng)引起的傳感器電流變化，(g) 膝關(guān)節(jié)彎曲-伸展的I-T曲線，(h)傳感器與植入藍(lán)牙的微電路串聯(lián)，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為手機(jī)信號(hào)，(i) 植入藍(lán)牙的微電路的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)在振幅和形狀上與Agilent設(shè)備的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)非常相似，但頻率更快。

圖5制備的4×4微米的傳感器陣列。(a)4×4 MXenes傳感器像素陣列檢測(cè)壓力分布(標(biāo)尺為5mm)，(b)一塊手表放在傳感器陣列上，(c) 記錄并測(cè)量每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的輸出。顏色對(duì)比在c映射局部壓力分布時(shí)與b圖中手表位置一致。

【本文總結(jié)】

根據(jù)層間距離在外力作用下發(fā)生較大變化的基本特性，研制了一種高柔性、高靈敏度的MXenes壓阻傳感器。原位TEM研究直接闡明了壓阻式傳感器的基本工作機(jī)理。該傳感器響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好，在探測(cè)微小的人類活動(dòng)和其他弱壓力方面有著廣泛的應(yīng)用。本文的GF值達(dá)到180.1，明顯高于其他報(bào)道。這是第一個(gè)利用MXenes (Ti3C2)的壓阻傳感器，為其他MXenes的應(yīng)用開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。

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