Advanced Materials Technologies: 铜纳米线@石墨烯核壳气凝胶的可控制备及其压阻式压力传感器应用

随着新型压阻式压力传感器的发展,高弹性、高导电的多孔气凝胶凭借独特的三维架构、方便信号读出、反应灵敏等特点得到了广泛的关注和研究。其中,形貌均匀、高长径比的一维金属纳米线,经常被选作组装构建三维多孔气凝胶结构的基本单元。这一类的纳米多孔金属气凝胶在应用到压力传感器时,通常需要使用光刻、真空沉积和化学镀等复杂的制造工艺,且原材料成本较高(例如金纳米线、银纳米线等),限制了其大规模生产和应用。比较而言,铜纳米线具备与金、银纳米线相当的导电率,但成本相对较低,且可通过简单可控的液相法大规模合成,故其逐渐成为压力传感领域的研究热点。但铜在空气中极易氧化导致电导率急剧下降,相应器件的性能衰减较快,这是铜纳米线气凝胶应用于压力传感领域中仍需解决的问题。

北京大学工学院曹安源教授课题组及杭州电子科技大学吴诗婷博士团队,通过在铜纳米线表面引入一层均匀致密的石墨烯壳层阻挡水分、空气与铜的直接接触,构建了性能稳定、结构可控的铜纳米线@石墨烯核壳气凝胶结构,制备了高灵敏、快速响应、长循环稳定的压阻式压力传感器。通过将铜纳米线与水溶性有机物(聚乙烯吡咯烷酮,PVP)共组装,以三维搭接的铜纳米线为模板,PVP为固态碳源进行原位退火处理,在每一根铜纳米线的表面均匀生长了一层厚度3-4 nm的石墨烯壳层。通过控制铜纳米线的组装浓度调控核壳气凝胶的微观结构,最终获得的超疏水多孔气凝胶导电率为20.83-170.5 S/cm,弹性模量可达3-106.9 KPa,且其在空气中存储时均表现出较高的化学稳定性,表面无明显铜的氧化物生成。最终制备的压阻式压力传感器的驱动电压为0.1 V,响应时间低至15.93 ms,压力检测范围可宽至640 Pa-82.26 kPa,经过1000次循环测试后性能仍保持稳定。上述研究结果为低成本、性能稳定的铜纳米线气凝胶可控制备及在压力传感领域的应用研究提供了新的思路。

相关工作发表在Advanced Materials Technologies (DOI:10.1002/admt.201900470)上。题目为Hydrophobic, Structure-Tunable Cu Nanowire@Graphene Core-Shell Aerogels for Piezoresistive Pressure Sensing,第一作者为杭州电子科技大学材料与环境工程学院吴诗婷博士,通讯作者为北京大学工学院曹安源教授。