對(duì)于可穿戴電子皮膚和織物而言,在滿足輕量和機(jī)械柔性、可拉伸功能等功能外,還需要低制造成本,高可靠性,多功能性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械拉伸性,多種工程結(jié)構(gòu),包括彈性體中的滲流型電荷傳輸網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)電的路徑(波浪形,蛇形,網(wǎng)狀)或結(jié)構(gòu)(皺紋,膨脹),被用來適應(yīng)外部的機(jī)械應(yīng)變。從材料設(shè)計(jì)的角度來看,單晶硅納米膜,金屬納米結(jié)構(gòu),含碳類納米材料,以及導(dǎo)電聚合物是WEST領(lǐng)域中常用的候選材料。然而,在多刺激傳感能力及其性能(靈敏度,響應(yīng)時(shí)間等),以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性和制造成本方面,仍有很大的發(fā)展空間。
金屬氧化物(MO)半導(dǎo)體(例如IGZO,SnO2,ZnO)和導(dǎo)體(ITO,F(xiàn)TO)等已被大規(guī)模成熟的應(yīng)用在顯示器,觸摸屏和傳感器等領(lǐng)域。從而證明了其在多個(gè)方面比上述材料顯示出更加優(yōu)異和穩(wěn)定的性能。但是,可以維持最大斷裂水平約1%的塊狀金屬氧化物本質(zhì)上很難拉伸到WEST所需的應(yīng)變程度。此外,合成和加工與其他納米材料長(zhǎng)徑比(》1000)相當(dāng)?shù)腗O納米結(jié)構(gòu)的具有挑戰(zhàn)性。
近期,美國(guó)西北大學(xué)Tobin J Marks, Antonio Facchett課題組聯(lián)合休斯頓大學(xué)余存江課題組和香港城市大學(xué)Xinge Yu于欣格課題組在Nature Communications發(fā)表研究論文。論文第一作者為美國(guó)西北大學(xué)的Binghao Wang博士,其他作者包括休斯頓大學(xué)的博士生Anish Thukral (并列一作),香港城市大學(xué)的Zhaoqian Xie博士, 以及西北大學(xué)的Limei Liu, Xinan Zhang 以及Wei Huang。
作者將吹紡技術(shù)用于制備多種半導(dǎo)體/導(dǎo)體三維無機(jī)納米纖維網(wǎng)絡(luò),包括IGZO,CuO,ITO和Cu,并被用于薄膜晶體管和多功能傳感器。基于IGZO纖維網(wǎng)絡(luò)的晶體管顯示出出色的機(jī)械柔韌性(彎曲半徑低至1 mm)和對(duì)NO2氣體的高傳感、選擇性。更令人印象深刻的是,轉(zhuǎn)移至柔性基底(SEBS)上的纖維網(wǎng)絡(luò)器件具有》50%的高拉伸性并能夠靈敏的感應(yīng)紫外線,溫度,壓力和人體呼氣。最后,作者展示了能夠進(jìn)行多傳感器識(shí)別的單片集成納米纖維器件平臺(tái)。
如圖1所示,作者將金屬鹽和聚合物混合在乙醇中,通過吹紡技術(shù)快速大規(guī)模制備多種纖維網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過400-500攝氏度高溫退火后,可以獲得多種金屬氧化物和金屬纖維。
圖1:金屬和金屬氧化物納米纖維的合成和結(jié)構(gòu)表征。
為了驗(yàn)證無機(jī)纖維網(wǎng)絡(luò)的可拉伸性,作者使用有限元法對(duì)其的力學(xué)性能計(jì)算模擬。單根纖維在不同的應(yīng)變方向顯示出區(qū)別很大的應(yīng)力-應(yīng)變行為。纖維與應(yīng)力方向角度越大,其受到的應(yīng)變?cè)降?。?shí)驗(yàn)證明基于IGZO纖維網(wǎng)絡(luò)的在50%應(yīng)變時(shí),電阻僅增加6倍,并且以10%應(yīng)變拉伸-回復(fù)5000次循環(huán)后性能幾乎保持不變。
圖2:IGZO單根纖維和纖維網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)變下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算。
基于IGZO纖維的晶體管具有出色的機(jī)械柔韌性(彎曲半徑低至1 mm)和對(duì)NO2氣體的高傳感選擇性(靈敏度為33.6%ppm-1)。更令人印象深刻的是,轉(zhuǎn)移至柔性聚[苯乙烯-b-(乙烯-共-丁烯)-b-苯乙烯](SEBS)的IGZO纖維器件能夠感應(yīng)紫外線(比探測(cè)率= 5.2×10^10 Jones),溫度(靈敏度= 2.2%C-1)和鼻子呼出的呼氣。此外,作者展示了用作壓力傳感器的CuO纖維/SEBS器件。
圖3:基于IGZO纖維網(wǎng)絡(luò)的柔性晶體管和可拉伸多響應(yīng)功能(紫外,氣體,溫度,呼氣和壓力)的傳感性能。
在最后部分,作者利用可穿戴式的ITO纖維/SEBS用于手勢(shì)識(shí)別。具有出色的操作穩(wěn)定性和快速的響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間。接下來,如圖4所示,通過將五個(gè)應(yīng)變傳感器安裝在手的手指關(guān)節(jié)上,監(jiān)視應(yīng)變傳感器的ΔR/ R0與特定手勢(shì)之間的直接相關(guān)性。例如,為了表示“ OK”的符號(hào),拇指和食指完全折疊(ΔR/ R0》 2.0),而中指,無名指和小手指則拉直(ΔR/ R0《0.2)。其它手勢(shì),例如“GOOD”,“LOVE”,“GREAT”,“HI”和“VICTORY”都可以以特定的相應(yīng)手勢(shì)來識(shí)別的。為了識(shí)別多種外界刺激,作者以創(chuàng)可貼形式展示了單片集成IGZO+ITO+CuO纖維器件平臺(tái)。
責(zé)任編輯:pj
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