近日，山西大學(xué)激光光譜研究所陳旭遠(yuǎn)教授和王梅教授等人在《acs applied materials & interfaces》上發(fā)表文章《vertical graphene canal mesh for strain sensing with a supereminent resolution》，報導(dǎo)了一種基于三維豎直石墨烯(vertical graphene, vg)的超低檢測限應(yīng)變傳感器。
微應(yīng)變傳感器的發(fā)展為微型機(jī)器人、智能人機(jī)交互、健康監(jiān)測和醫(yī)療康復(fù)等眾多領(lǐng)域提供了廣闊的前景。高分辨率的柔性應(yīng)變傳感器可廣泛應(yīng)用于多種柔性可穿戴電子設(shè)備中，有助于提升設(shè)備探測靈敏度并保證親膚性。目前，已有諸多活性材料在柔性傳感器中展示了良好的應(yīng)用效果，如碳納米管、銀納米線、mxene等。但是具有極高分辨率的柔性應(yīng)變傳感器仍然是應(yīng)變傳感器研究中的一項挑戰(zhàn)。
作者通過設(shè)計三維石墨烯微觀和宏觀結(jié)構(gòu)制作了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器(vgcm)，使其在0-4%的總應(yīng)變范圍內(nèi)實現(xiàn)了低至0.1‰的應(yīng)變精確響應(yīng)，獲得了極高的分辨率。同時通過實驗驗證及理論模擬揭示了vg在應(yīng)變過程中微裂紋的演化規(guī)律和電阻變化機(jī)理。
圖1 基于vgcm的應(yīng)變傳感器制備過程及vgcm的sem圖像
此工作以銅網(wǎng)為模板，利用等離子化學(xué)增強(qiáng)氣相沉積法在銅網(wǎng)上生長了vg。利用化學(xué)刻蝕去除銅網(wǎng)后獲得中空網(wǎng)狀vgcm結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得拉伸應(yīng)力集中，增強(qiáng)了應(yīng)變過程中的電阻變化，實現(xiàn)了對低至0.1‰的微小應(yīng)變的高分辨響應(yīng)。
圖2 拉伸過程中的應(yīng)力分布示意圖
有限元模擬展示了vgcm在拉伸過程中的應(yīng)力分布。結(jié)果顯示vgcm的中空管道結(jié)構(gòu)使得應(yīng)力集中分布在管狀vgcm的頂端和底部。同時，三維石墨烯豎直結(jié)構(gòu)也會導(dǎo)致應(yīng)力在豎直結(jié)構(gòu)之間形成集中。
圖3 vgcm傳感器傳感原理圖；vgcm應(yīng)變中的sem圖像；vg和2d石墨烯應(yīng)力分布模擬圖
進(jìn)一步通過實驗驗證了在拉伸情況下，應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋且主要分布在中空管道頂端和底部。裂紋的產(chǎn)生加速了電阻的增加，從而提高了vgcm的靈敏度和分辨率，與模擬結(jié)果完全吻合。vgcm傳感器利用了三維石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀的宏觀結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，使得應(yīng)力集中，增大了電阻在拉伸過程中的變化，賦予了vgcm傳感器卓越的分辨率和良好的應(yīng)用前景。