清華大學(xué)：碳納米管壁間滑動(dòng)的機(jī)電響應(yīng)特性及新型柔性傳感電子器件的進(jìn)展

人們對(duì)碳納米管（CNT）的深入研究已有30多年，并將其視為一種潛力的用于構(gòu)建電子器件的功能材料。多壁（含少壁）碳納米管是由兩層或兩層以上石墨烯沿中心軸按一定螺旋角卷曲而成的無縫管狀結(jié)構(gòu)。由于石墨烯層間滑動(dòng)摩擦力非常小，碳納米管的管壁間在微小的外力作用下即可很容易地相對(duì)滑動(dòng)，早在2013年，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證了其管壁間的超潤(rùn)滑行為（Nat Nanotechnol，2013, 8, 912）。我們可以預(yù)測(cè)，碳納米管的管壁間滑動(dòng)一定會(huì)伴隨著電學(xué)性能的變化，然而，由于實(shí)驗(yàn)上的困難，迄今還未有相關(guān)的研究結(jié)果。一方面，管壁間滑動(dòng)行為所引起的機(jī)電性能的變化規(guī)律尚未被揭示；另一方面，該現(xiàn)象在電子器件中的應(yīng)用潛力尚待開發(fā)。

近期，清華大學(xué)張瑩瑩教授團(tuán)隊(duì)對(duì)碳納米管管壁間滑動(dòng)引起的電學(xué)性能的變化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，揭示了其管壁間滑動(dòng)行為所引起的線性、可逆的電流變化，采用管壁間電子隧穿模型解釋了該現(xiàn)象的工作機(jī)理，并基于該現(xiàn)象制作了高精度人機(jī)交互界面。研究中采用了超長(zhǎng)少壁碳納米管（FWCNT）作為原材料，該材料具有厘米級(jí)宏觀長(zhǎng)度和低表面缺陷密度，易于被操縱，是研究CNT機(jī)電性能和宏觀應(yīng)用的理想材料。此外，超長(zhǎng)FWCNT水平陣列可以被轉(zhuǎn)移到其它的柔性襯底上，有被進(jìn)一步用于新型的柔性電子器件制備的潛力。通過化學(xué)氣相沉積法制備了超長(zhǎng)FWCNT，在光學(xué)顯微鏡下通過探針進(jìn)行操縱，實(shí)現(xiàn)了該類CNT在大氣環(huán)境下的管壁間滑動(dòng)，通過原位測(cè)量其電學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)了其管壁間滑動(dòng)行為引起的線性、可逆的電流變化，并提出了管壁間電子隧穿模型解釋了該現(xiàn)象的工作機(jī)理。為了制作柔性電子器件，還開發(fā)了一種絲素蛋白（Silk）輔助的轉(zhuǎn)移超長(zhǎng)FWCNT水平陣列的方法，并將轉(zhuǎn)移后的樣品封裝在彈性硅橡膠（PDMS）中，得到了CNTs@Silk@PDMS（CNT/S/P）可拉伸薄膜。沿CNT軸向方向?qū)υ摫∧な┘永鞈?yīng)力，可誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)FWCNT管壁間可逆和可控的滑動(dòng)，展現(xiàn)出線性和可逆的電流變化，與單根碳納米管上觀察到的機(jī)電特性規(guī)律一致。以CNT/S/P基傳感器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種智能手套，佩戴該手套可遠(yuǎn)程控制機(jī)械手同步模擬手的各種運(yùn)動(dòng)，該機(jī)械手控制系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程執(zhí)行精細(xì)和復(fù)雜任務(wù)的能力，將有望代替人類執(zhí)行潛在的危險(xiǎn)任務(wù)，例如處理有毒或易爆材料等，也在醫(yī)療保健、虛擬現(xiàn)實(shí)和機(jī)器人等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。這項(xiàng)工作揭示了碳納米管壁間滑動(dòng)的機(jī)電響應(yīng)規(guī)律，證明了一維管狀材料中的壁間滑動(dòng)可以應(yīng)用于新型電子器件的設(shè)計(jì)。這一新穎的機(jī)制可以為未來柔性電子器件的設(shè)計(jì)提供新的思路。可以預(yù)測(cè)，這種方案也可以擴(kuò)展到具有范德華層間相互作用的其他一維管狀材料或者二維層狀材料。

來源：傳感器專家網(wǎng)