基于PEDOT:PSS/Ag NW的高性能可拉伸应变传感器

可拉伸的应变传感器,在可穿戴器件、健康检测和运动模拟器、软性机器人、电子皮肤、各种医疗应用中起着重要作用。这些应用常常要求其在各种触摸拉伸等应变下,能够准确且可靠地探测到应变。低可靠性和灵敏度以及窄的感应范围限制了其进一步发展。

中国科学院宁波材料所葛子义研究员团队联合香港理工大学严锋教授课题组,研发出一种具有宽可拉伸范围、高灵敏度、高可靠性等功能特性的柔性可拉伸应变传感器,并成功实现对人体运动行为的实时准确可靠监测。

图a)器件对手指弯曲的精准梯度响应(循环三次);b)器件在0−50%拉伸下的应变响应

该团队成员樊细副研究员和香港理工大学王乃祥等利用新型的转移−印刷方法制备了高导电的PEDOT:PSS/Ag NW杂化透明薄膜。硝酸处理的PEDOT:PSS表现了高的导电性(导电率σ=3100 S cm−1)。然后通过液体PDMS固化辅助转移−印刷方法,将PEDOT:PSS/Ag NW材料从玻璃衬底上转移−印刷到弹性的PDMS薄膜,从而得到了PEDOT:PSS/Ag NW被包覆的PDMS可拉伸的应变传感器。利用PEDOT:PSS/Ag NW/PDMS的包覆结构以及界面之间强的粘附性,提高器件结构的稳固性,这有利于提高应变响应的可靠性。另外,尽管少量的Ag NWs在拉伸过程中会断裂,但是硝酸处理的高导电的PEDOT:PSS能够补偿Ag NWs的导电性的下降;这种杂化的薄膜提供了多条导电通道,有利于载流子的传输和电荷收集,从而增强了器件响应的可靠性。

该制备方法简单、高效、易大面积制备薄膜、成本低,同时首次将转移−印刷方法引入到应变传感器的制备中,提高了其灵敏度和响应的可靠性。这种柔性应变传感器具有良好的性能:宽应变范围(ɛmax=50%)、高灵敏度(6.5−8.0)、高可靠性(400次循环拉伸响应稳定)。该研究为高导电柔性可拉伸材料的设计提供新的思路,为基于PEDOT:PSS/Ag NW柔性导电薄膜的光电研究打开了一扇窗户。相关论文在线发表在Advanced Materials Technologies (DOI:10.1002/admt.201800030)上。葛子义研究员、严锋教授和湖北大学的王今朝博士为论文的通讯作者,樊细副研究员和博士生王乃祥为论文的共同第一作者。

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