石墨烯增强碳纳米管网络结构及其应变传感器

AFMfangying柔性电子器件是一种新兴的电子器件技术,在医疗、军事、人工智能、仿生与能源器件等领域具有潜在的应用前景。作为柔性电子器件的一种重要类型,应变传感器被广泛用于可穿戴运动检测与健康监测等。碳纳米管通过范德华力彼此结合形成的网络结构常被用于制备柔性电子器件。这种网络结构在拉伸条件下会产生由碳纳米管搭接点数目与导电通路的均匀变化而引起的薄膜电阻的改变。之前研究表明,基于碳纳米管的应变传感器可以用于检测高达150%以上的应变响应。然而,碳纳米管网络结构在应变回复时会产生弯曲和褶皱现象,以致于其在拉伸过程损失的导电通路无法回复。在反复拉伸过程中,应变的施加和回复主要通过碳纳米管网络的拉直和弯曲来响应,而这个过程产生的电阻变化较为微弱,导致应变传感的灵敏度较低,这在很大程度上制约了碳纳米管网络在应变传感领域的实际应用。基于这一问题,国家纳米科学中心方英研究员、李昕明博士等人与合作者受到树叶、鸭蹼等自然结构的启发,设计了一种碳纳米管-石墨烯复合结构,并基于该结构实现了对循环小应变具有良好响应的的可穿戴应变传感器。

该碳纳米管-石墨烯复合结构,是将碳纳米管网络转移到铜箔表面做为模板,采用化学气相沉积法制备石墨烯而构建形AFMfangying1成。该结构中,石墨烯可以有效的填充于碳纳米管网络的内部,从而整体上形成了复合全碳材料薄膜。石墨烯可以有效的抑制碳纳米管网络在应变回复时的弯曲变形,有效提高整个体系的刚性,从而使这种复合薄膜对于应变的施加和回复可以产生单调线性的电阻变化响应。这种复合结构既保持了原始碳纳米管网络的可拉伸性,同时又大大提高了其在小应变范围内应变传感的灵敏度和线性。这种基于该碳纳米管-石墨烯复合结构所实现的电子器件,在柔性电子与可穿戴器件等领域具有潜在的应用价值。

相关工作发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201504804)上,并被选为当期内封面(Inside Front Cover)。

 

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