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)

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)。
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