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阿卜杜拉國王科技大學(xué)Vincent Tung教授、韓宇教授等 ACS Nano：新型石墨炔納米薄膜用于超薄柔性皮膚傳感
2022-09-24  來源：高分子科技

  能夠柔韌地貼合在人體表皮且可用于無創(chuàng)、特異性和多功能傳感檢測(cè)的薄膜電子元件是構(gòu)建未來理想的可穿戴系統(tǒng)的重要部分，其可以附著在非平面且動(dòng)態(tài)移動(dòng)的物體表面，在測(cè)試人體微小形變和生理信號(hào)等，在對(duì)人體的實(shí)時(shí)健康監(jiān)控和人機(jī)信息交互方面具有廣泛的應(yīng)用前景和科學(xué)研究價(jià)值。然而目前器件微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和新型材料的復(fù)合等改進(jìn)方法依然存在性能缺陷，制備超薄的、具有良好貼合性的、且不影響人體皮膚真實(shí)觸感的高靈敏傳感器面臨著很大挑戰(zhàn)。


  近期，沙特阿卜杜拉國王科技大學(xué)Vincent Tung教授、韓宇教授和香港大學(xué)Lain-Jong Li教授等合作報(bào)道了利用化學(xué)氣相沉積法制備新型超薄碳材料-石墨炔薄膜(Hydrogen-substituted graphdiyne, HsGDY)，并用于具有良好貼合性的柔性微電子傳感器。該電子皮膚器件展現(xiàn)出對(duì)微小形變（壓縮/拉伸）的高靈敏度、快速響應(yīng)和耐久性，為開發(fā)下一代碳材料薄膜用于有機(jī)生物電子器件提供了新思路。該工作以“Graphdiyne-Based Nanofilms for Compliant On-Skin Sensing”為題發(fā)表在《ACS Nano》上 （doi:10.1021/acsnano.2c06169）。文章第一作者是蔡依晨和申杰。 


圖1：化學(xué)氣相沉積法制備石墨炔納米薄膜（HsGDY）


  研究發(fā)現(xiàn)，單體分子1,3,5-三乙基苯(TEB) 在Cu111基板上可以耦合并橫向生長，同時(shí)在垂直方向堆疊形成多層薄膜，因此形成了一種含有很多納米晶粒以及導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的微觀復(fù)合結(jié)構(gòu)（圖1）。這種導(dǎo)電的納米共軛薄膜在微小形變下，內(nèi)部的電荷躍遷會(huì)發(fā)生很大變化，因此具有很強(qiáng)的應(yīng)變感知能力（圖2）。 



圖2：HsGDY透明薄膜和其應(yīng)變反應(yīng)機(jī)理研究


  研究者將該薄膜轉(zhuǎn)移至超薄的PET基板上并研究了其電信號(hào)隨機(jī)械響應(yīng)特征，并制備了不同的傳感陣列，器件在-2%-2%的應(yīng)變范圍表現(xiàn)出很高的靈敏度，同時(shí)具備快速的響應(yīng)和恢復(fù)能力（60 ms）以及長期的耐久性和重復(fù)性（5000次循環(huán)）。將器件貼在人體皮膚上，由于其超薄的厚度（10 μm）和良好的貼合性，跟塊狀器件相比，其可以降低外界噪音，收集更多來自人體的生理信號(hào)，從而提高了器件信噪比。在應(yīng)用方面，其可以用于檢測(cè)和感知人類的面部微表情，手指按壓幅度，監(jiān)測(cè)人造血管的微小形變等。甚至將器件貼在鼻子下方，通過感應(yīng)人體吸入和呼出氣體溫度的不同來反饋人體的健康和生理狀況（圖3）。 


圖3：器件對(duì)人體吸入和呼出氣體的溫度差異做出電信號(hào)反饋


  該研究展現(xiàn)了一種可控的化學(xué)氣相沉積法制備超薄導(dǎo)電的碳材料薄膜，這種薄膜具有類似人體皮膚的本征柔性，并且作者們將其成功制備成為貼合性很好的電子皮膚傳感器。HsGDY薄膜內(nèi)部納米晶粒結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)使其具有獨(dú)特的遂穿導(dǎo)電性，對(duì)于微小形變具有很強(qiáng)的感應(yīng)能力。通過改變單體或者化學(xué)耦合方式，可以在分子水平上調(diào)節(jié)材料特性和傳感能力，為下一代超薄生物電子提供了新的思路。 


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c06169

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