研究背景
具有高靈敏度、便攜性和可折疊性的電子皮膚在人工智能、人機(jī)交互、健康監(jiān)測、軟體機(jī)器人和疾病檢測等方面的應(yīng)用獲得了極大關(guān)注。柔性壓力傳感器通常由柔性基底、活性層、以及導(dǎo)電電極組成。開發(fā)這種傳感器的基本要求是相當(dāng)大的彎曲應(yīng)變、高靈敏度、低驅(qū)動電壓、快速響應(yīng)時間和出色的穩(wěn)定性?；钚詫拥慕Y(jié)構(gòu)和形態(tài)被認(rèn)為是改善柔性設(shè)備的壓敏反應(yīng)的關(guān)鍵因素。除了壓敏材料的設(shè)計外，覆蓋傳感膜兩個相對面的電極也是決定柔性設(shè)備壽命的關(guān)鍵因素。這種電極必須在彎曲周期內(nèi)與傳感薄膜兼容，并保持其高導(dǎo)電性。因此，更好地適應(yīng)器件變形的活性層和具有高導(dǎo)電性的柔性電極，是下***代柔性電子器件不可缺少的組成部分。
成果簡介
MXenes是***類新興的二維過渡金屬碳化物和氮化物，其具有出色的導(dǎo)電性、機(jī)械靈活性和水分散性，已被廣泛用于柔性電子。吉林大學(xué)韓煒教授和半導(dǎo)體所沈***震研究員等人報道了MXene材料在電子皮膚的電極和活性層中的應(yīng)用。相關(guān)研究工作以“Controlled Assembly of MXene Nanosheets as an Electrode and Active Layer for High-Performance Electronic Skin”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。
研究亮點
1. 利用真空過濾技術(shù)，使幾層MXene電極被集成到三維聚丙烯腈（PAN）網(wǎng)絡(luò)的頂部和底部表面，形成***個穩(wěn)定的電子皮膚。2. 采用Ti3C2Tx MXene電極制造的柔性裝置表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，具有104.0 kPa-1的高靈敏度，30/20 ms的快速響應(yīng)/恢復(fù)時間，以及1.5 Pa的低檢測限。3. 該柔性壓力傳感器表現(xiàn)出強(qiáng)大的機(jī)械穩(wěn)定性，可以經(jīng)受住240次彎曲循環(huán)，可以像七巧板或折紙***樣放大或折疊，并從二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S結(jié)構(gòu)；此外，它可以檢測到人類肌肉的微小運動，如與聲音產(chǎn)生相應(yīng)的運動和手指彎曲時的激烈運動。
圖文解讀
圖1| 基于MXene/PAN的柔性壓力傳感器的制造過程和工作機(jī)制。
圖2| 三維多孔結(jié)構(gòu)的MXene/PAN復(fù)合膜的材料表征。
圖3| 基于MXene的柔性壓力傳感器的壓敏性能測試。
圖5| 基于MXene/PAN的柔性壓力傳感器的應(yīng)用和展示。
總結(jié)展望
綜上所述，作者開發(fā)了***種基于MXene/PAN的柔性壓力傳感器，采用MXene電極。與基于其他電極的傳感器相比，該柔性壓力傳感器不僅大大改善了壓敏反應(yīng)，而且還表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性（超過10 000次）、快速響應(yīng)時間、低檢測限和高穩(wěn)定性。所制造的柔性Ti3C2TX/PAN復(fù)合膜可用作壓力傳感器，準(zhǔn)確而快速地監(jiān)測人類的生理活動，由于其快速響應(yīng)和高穩(wěn)定性，使其適用于語音識別和脈沖監(jiān)測等應(yīng)用。本研究中所展示的基于MXene/PAN的柔性壓力傳感器的高性能，突出了其在智能柔性系統(tǒng)中的巨大應(yīng)用潛力，包括軟體機(jī)器人、仿生機(jī)器人、觸覺反饋系統(tǒng)和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。此外，受折紙啟發(fā)的折疊裝置消耗的空間較小，因此適合于特殊應(yīng)用：這種緊湊的設(shè)計提高了可穿戴電子設(shè)備的多樣性和便攜性。這項研究為MXenes和聚合物纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)作為傳感材料提供了***個新的應(yīng)用前景，以改善可穿戴電子設(shè)備的傳感性能和機(jī)械性能。
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