Small:有机小分子新型压力传感器

智能响应材料因其对外部环境变化的快速响应和高灵敏度而被广泛用于制造机器人系统的执行器和传感器、结构健康监测设备、和人机交互作用界面。压电效应作为其中一种主要的应激效应,能把施加的机械能转换成电能,已被用于开发能量收集器、信号输出系统、可穿戴设备等。近年来,随着压电电子学的不断发展,传统的可穿戴设备已经满足不了日新月异的多样化需求,许多对应变更敏感的新型压电材料被用于开发智能可穿戴设备的压力传感器,科研人员也采用不同方案提高灵敏度和响应速度,并通过改变材料构成和微观结构来提高操作稳定性。传统的压电材料包括碳基材料(碳纳米管、石墨烯)、聚合物纳米纤维、钙钛矿等在灵敏度和应变响应速度上已无法满足可穿戴设备的需求。例如钙钛矿对应变的响应时间超过了2s,这会导致可穿戴设备无法及时地输出指令,让用户对可穿戴设备的体验变差。新型压电材料包括2D层状材料(α-In2Se3、MoS2),无机复合物以及天然生物材料等虽然具有较高的压电灵敏度,但是由于其产生的电信号较弱,会导致其无法驱动可穿戴设备的编程系统;再者像生物压电材料则无法输出稳定的电信号,其信号误差可达到2倍之多,这会导致可穿戴设备的信号判断频繁出错。针对上述问题,有必要开发一种简单而有效的解决方案来克服这些困难,提升传感器的性能。

近日,广东工业大学冯星副教授及其合作者将常用于构建聚集诱导发光基团的苯乙腈衍生物与二茂铁结合,制备了有机小分子Fc-Cz来构造新型压力传感器。与传统的无机压力传感材料相比,纯有机小分子具有明显的优势:I) 具有可修饰、可调节的分子框架;II) 准确的物质成分和精准的分子构象;III) 在固态下表现出可控的分子堆积方式,表现在压电信号上有着较高的信号大小可调性及应力灵敏度。

图1. 基于有机小分子Fc-Cz纳米发电机的压电性能

试验光谱数据证实有机小分子Fc-Cz单晶具有偏振光致发光特性,最大极性比为 0.72。另外,该团队基于Fc-Cz单晶制备了可穿戴压电器件,并利用了可编程电机测试了不同应变在Fc-Cz晶体的x-轴和z-轴下其产生的自驱动电流及电压。当施加在Fc-Cz晶体z轴的应变为1.7%时,基于Fc-Cz的器件其压电灵敏度可高达350 pA/ε(94 mV/ε),最大峰值电流(或电压)达到580 pA (140 mV),响应时间小于40 ms,其值大于大多数具有压电性质的二维材料;但当沿晶体x-轴的应变为1.7%时,其最大峰值电流(或电压)降至250 pA(60 mV),这些结果证明基于Fc-Cz单晶的柔性触觉传感器能在检测人体运动方面具有良好的灵敏度和快速的响应速度。如把其固定在手指的关节上,利用指关节的运动产生材料应变,进而产生电信号,当指关节弯曲70°时,其电流强度高达3600pA。结果表明:由于材料结构的低对称性,这类材料具有高的各向异性压电特性和快速响应速度。

科研人员进一步结合X-ray单晶衍射数据和密度泛函理论、VASP理论计算获得在应变下Fc-Cz分子偶极矩的变化,并利用超极化张量的3D可视化图阐述压电特性与分子结构之间的关系。实验和理论研究表明:材料的压电性、介电常数和极化性具有正相关关系。由晶体 Fc-Cz 制成的柔性触觉传感器在检测人手的连续运动方面表现出良好的稳定性、高灵敏度和良好的可重复性。这项研究为开发先进的人造有机材料作为压电材料在电子皮肤、可穿戴设备、能量收集和人机交互方面的潜在应用提供了新的解决方案。

上述研究工作得到了国家自然基金、广东省自然基金委、珠江人才计划、香港研究基金会等项目的支持。第一作者为广东工业大学研究生李翎,共同一作为香港科技大学博士研究生张鉴于,通讯作者包括广东工业大学冯星副教授、香港科技大学/香港中文大学唐本忠院士、华南师范大学李京波教授和美国密西根州立大学曹长勇教授。感谢本论文的合作者在单晶测试和解析、理论计算等方面的支持。

论文信息:

Stimuli-Responsive Materials from Ferrocene-Based Organic Small Molecule for Wearable Sensors

Ling Li, Jianyu Zhang, Chenyi Yang, Le Huang, Jun Zhang ,Jie Bai, Carl Redshaw, Xing Feng*, Changyong Cao*, Nengjie Huo, Jingbo Li*, Ben Zhong Tang*

Small

DOI: 10.1002/smll.202103125

原文链接:https://doi.org/10.1002/smll.202103125