一種還原氧化石墨烯柔性傳感器

張銘瑞 牟春宇 趙劍南 鐘雨眩 杭子軒

摘?要：石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)、由碳原子組成的，只有一層原子厚度的二維晶體，具有光學(xué)性能、高熱導(dǎo)性能、力學(xué)性能和室溫鐵磁效應(yīng)等性能。石墨烯材料的發(fā)展使得傳感器的發(fā)展如虎添翼。很多優(yōu)質(zhì)傳感器的誕生也使生活和生產(chǎn)變得更加智能。本文基于石墨烯材料論述了石墨烯柔性傳感器和壓力傳感器的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：石墨烯;傳感器;壓力;柔性傳感器

傳感器是一種可以感受到被測(cè)信息，并能將被測(cè)信息，按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)或其他形式的信息的檢測(cè)裝置，滿(mǎn)足了信息的傳輸、處理、儲(chǔ)存、顯示、記錄等要求。傳感器具有微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)，成為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了知覺(jué)，讓物體變得活了起來(lái)。通常根據(jù)傳感器的基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線(xiàn)敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類(lèi)。

1 還原氧化石墨烯壓力傳感器概述

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以 sp2 雜化軌道組成六角形蜂巢晶格的二維材料，且只有一個(gè)碳原子厚度。由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)（如高表面積、良好的導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度高、易于功能化等等），石墨烯在傳感器方面的應(yīng)用受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。本文論述了石墨烯壓力傳感器的研究進(jìn)展。

由于石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)電性能，作為壓力傳感器使用的時(shí)候，不需要額外制作電極，降低了器件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，而且具有天然的壓阻效應(yīng)。由于石墨烯厚度是nm尺度，可以直接制備到柔性基底上，轉(zhuǎn)移到柔性基底上也十分便捷，所以在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的壓力檢測(cè)方面具有非常不容小覷的應(yīng)用潛力。已經(jīng)有許多基于石墨烯的壓力傳感器的相關(guān)報(bào)道，但是靈敏度不夠高。因此制備出一種測(cè)量范圍更大靈敏度更高的石墨烯壓力傳感器非常必要。機(jī)械剝離法、外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法等傳統(tǒng)的石墨烯制備方法能制備高質(zhì)量的石墨烯，但是這些方法存在一些問(wèn)題，比如成本較高、制備時(shí)間較長(zhǎng)、過(guò)程復(fù)雜、儀器太過(guò)昂貴等。

2 傳感器制備

2.1 氧化石墨烯的制備

本文采用原位生成法實(shí)驗(yàn)進(jìn)行氧化石墨烯的制備，將高錳酸鉀作為氧化劑加入到石墨、硫酸和 Na3PO4的混合物中，反應(yīng)生成氧化石墨.高錳酸鉀和磷酸鈉的組合使用使生成的氧化石墨氧化程度更高，結(jié)構(gòu)更規(guī)整且易于在水中發(fā)生溶脹和層離.這種方法優(yōu)點(diǎn)是原位生成磷酸，避免了使用高腐蝕性的硝酸，用弱腐蝕性的磷酸。并且用高錳酸鉀代替氯酸鉀減少了有毒氣體的排放，提高了制備的安全性和環(huán)保性。并在1∶9的磷酸和硫酸的混合物中進(jìn)行反應(yīng)，可提高氧化效率。此方法不涉及大量放熱，溫度易于控制，無(wú)有毒性氣體逸出，在大規(guī)模制備氧化石墨烯材料中被廣泛采用。

2.2 石墨烯傳感器的制備

取多層氧化石墨烯粉末置于玻璃杯中，在玻璃杯中加入10ml的去離子水溶液;超聲2-3小時(shí);將氧化石墨烯溶液抽濾到表面氈上;用氫碘酸溶液浸潤(rùn)后放入箱式高溫爐，溫度調(diào)到80攝氏度干燥兩到三小時(shí);涂抹導(dǎo)電銀漿，插入導(dǎo)線(xiàn)，放入箱式高溫爐固化。

2.3 石墨烯薄膜的制備

在壓片機(jī)上放入稱(chēng)量好的石墨烯并用稱(chēng)量紙隔離，使石墨烯被壓片機(jī)所加載的力進(jìn)行一定時(shí)間的壓制，揭開(kāi)稱(chēng)量紙，小心剝離初步得到的石墨烯片，將石墨烯片使用裁刀裁成20×20mm的形狀，得到最終制成的石墨烯片。

3 柔性傳感器分析

3.1 石墨烯柔性傳感器機(jī)理

石墨烯柔性傳感器的工作原理是利用了石墨烯的壓變效應(yīng)。傳感器佩戴在人體上或者某些精密儀器上時(shí)，當(dāng)應(yīng)變一發(fā)生，柔性傳感器迅速將力學(xué)信號(hào)傳出，石墨烯獨(dú)特的層與層結(jié)構(gòu)感受到人體或儀器傳來(lái)細(xì)微的應(yīng)變，應(yīng)變使層與層之間的距離以及接觸面積發(fā)生改變，從而引起接觸電阻的改變，再通過(guò)儀器將實(shí)時(shí)的電阻保存下來(lái)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到實(shí)時(shí)的電阻變化率，再將變化率與時(shí)間繪制成曲線(xiàn)，由此轉(zhuǎn)化為人們淺顯易懂的圖形數(shù)字信號(hào)或者可顯示應(yīng)變變化的圖形，使其易于觀(guān)察人體或機(jī)器的變化與識(shí)別人體疾病或機(jī)器損傷，進(jìn)而來(lái)進(jìn)行人體健康的檢測(cè)或機(jī)器的健康監(jiān)測(cè)。

3.2 柔性傳感器的應(yīng)用

柔性物理測(cè)控技術(shù)在航空航天材料、醫(yī)療設(shè)備，船舶、宇宙工程、電學(xué)應(yīng)用、機(jī)械制造、化工、輕工、生物醫(yī)學(xué)工程、數(shù)字多媒體娛樂(lè)、體育器材、服裝復(fù)合材料等技術(shù)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，慢慢的進(jìn)入人們的生活。而且柔性傳感器由于它的適用范圍及其廣泛，現(xiàn)在已經(jīng)到了一個(gè)發(fā)展柔性傳感器的好時(shí)代。

譬如在柔性傳感器在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用，就是在衣服中放置柔性傳感器。傳感器設(shè)置為里外兩層。外層就是感知外部環(huán)境比如天氣的變化，濕度，溫度的變化這種外界因素，內(nèi)層用于檢查被檢查者的生命特征即運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。實(shí)時(shí)反應(yīng)被檢測(cè)者的各項(xiàng)指標(biāo)，并可推算出被檢測(cè)者的勞累程度。如果穿著者有任何不適，衣服會(huì)打電話(huà)給穿著者的醫(yī)生并向其傳輸身體各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

石墨烯柔性傳感器可以應(yīng)用于跟蹤人體活動(dòng)與人體健康檢測(cè)，對(duì)于微小應(yīng)變也有靈敏的反映，具有高靈敏度，優(yōu)秀的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)中制備氧化石墨烯過(guò)程繁瑣，但制備的氧化石墨烯純度高，節(jié)約成本，自己制備出原材料，材料的性能更好。傳感器本身有著極高的要求例如：必須適應(yīng)大量卻微小的應(yīng)變，對(duì)重復(fù)循環(huán)具有高耐久性，快速響應(yīng)和低蠕變變形，對(duì)微小形變具有高敏感性，傳感器自身不能妨礙或干擾接頭的自然運(yùn)動(dòng)等，這些要求提高了精準(zhǔn)度的同時(shí)也帶來(lái)了很多挑戰(zhàn)。

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