Small Structures:规模化制备原子层级二维材料助力可穿戴健康传感器

可穿戴电子产品具有重量轻、超薄、低能耗、生物相容性和优异的机械性能等特点,可以使非侵入性传感器系统在较长时间内进行物理、化学和生理监测。一些已被证明可用于可穿戴设备的与健康相关的传感模式包括但不限于可以精确捕获各种电图的传感器,如肌电图 (EMG)、心电图 (ECG)、 眼电图 (EOG) 和脑电图 (EEG)、机械信号(例如脉冲)和化学信号(例如人体产生的汗水和体液中包含的Na+、K+、葡萄糖、多巴胺等的浓度)。

二维材料的原子级厚度和超高比表面积赋予了其优异的机械变形能力,使其对外部刺激(如光、温度、湿度、压力等)极其敏感。另外,对于高性能传感器应用,相关传感行为的广泛可调性也是体相或薄膜材料无法实现的。这种特殊的物理特性将能够对人体的生命生理体征(例如体温、脉搏率、呼吸率、血压)进行精确、无创的监测。同时,二维材料暴露的表面和材料边缘所体现的丰富的化学性质(例如配位键、催化性能等)可以通过加工条件进一步进行设计,促进了二维材料用于可穿戴健康传感器的实现。二维材料的原子级薄特性还允许通过集成具有多样化功能的分层组件来开发具有紧凑性的设备系统,这对于实现高性能可穿戴传感器很有吸引力。尽管人们对基于二维材料的可穿戴传感器的兴趣和努力有所增加,但在提高产品性能的同时降低制造和集成成本仍然具有挑战性。

普渡大学武文倬教授组回顾了基于 2D 材料的可穿戴健康传感器的最新进展。这篇综述深入讨论了基于二维材料的可穿戴健康传感器的材料制备、结构设计、制造工艺、机理及其在人体健康监测中的应用。

作者们首先综述了适用于可穿戴器件的相关二维材料的性质,大规模制备策略 (包括溶液法和气相法)。之后全面总结和讨论了器件制备和集成的方法包括基于溶液的制备过程(如浸涂,旋涂, LB法等),光刻工艺,激光雕合以及新型印刷技术等。最后,他们对基于二维材料制备的物理传感器(如触觉,压力,温度,湿度传感器,光探测器等)和化学传感器(如气体检测器和人体代谢物传感器)以工作原理分类分别进行了系统性的评估,包括传感器的工作原理,性能参数与对比,设计思路以及改进策略。更重要的是,此综述对先进的可穿戴传感技术的差距进行了系统的讨论,以助力二维材料可穿戴健康传感器的未来设计和纳米制造。最后,还深入讨论了与 2D 可穿戴健康传感器的大规模制造相关的挑战和机遇。

论文信息:

Scalably Nanomanufactured Atomically Thin Materials-Based Wearable Health Sensors

Ruifang Zhang, Jing Jiang, Wenzhuo Wu*

Small Structures

DOI: 10.1002/sstr.202100120

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/sstr.202100120