天津科技大學(xué)與南開大學(xué)：提出新型裂紋調(diào)控機制實現(xiàn)高分辨率應(yīng)變傳感器

隨著柔性電子器件的高速發(fā)展，高密度集成的可拉伸應(yīng)變傳感陣列對于可穿戴電子設(shè)備、仿生機器人和植入式醫(yī)療設(shè)備等下一代智能應(yīng)用至關(guān)重要。具有寬應(yīng)變范圍、高靈敏度、快速響應(yīng)時間、高穩(wěn)定性和小傳感面積的應(yīng)變傳感單元是構(gòu)建高時空分辨率應(yīng)變傳感器陣列的前提。然而，目前所報道的應(yīng)變傳感器主要是依賴于基于裂紋機理的導(dǎo)電材料，這類材料在傳感面積和性能之間存在固有矛盾。因此，制備同時具有寬應(yīng)變范圍、高靈敏度和小傳感面積的柔性應(yīng)變傳感陣列仍面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

成果展示

作者提出了一種新型裂紋調(diào)控機制：通過利用S-Ag配位鍵對傳感材料S-MXene/AgNW（S-M/A）傳感薄膜的裂紋尺寸、取向進(jìn)行調(diào)控。S-Ag配位鍵的引入調(diào)節(jié)了S-M/A傳感薄膜的局部應(yīng)變場，使其可以形成高密度的網(wǎng)狀裂紋，平均裂紋尺寸降低至60 µm，平均裂紋間隙降低至1 µm，從而在保證S-M/A傳感薄膜具有超高靈敏度和較寬的應(yīng)變范圍的同時，限度地縮小傳感面積。

該論文報道的基于MXene/銀納米線界面相互作用的應(yīng)變傳感器的傳感面積最小可達(dá)到0.25 mm2，同時還具有超寬的工作范圍（0.001-37%）、超高的靈敏度（0.001%應(yīng)變時的敏感系數(shù)約為500，35%應(yīng)變時的敏感系數(shù)大于150000）、快速響應(yīng)時間（約為5 ms）、低滯后和出色的長期穩(wěn)定性（在15%的應(yīng)變下可拉伸-釋放循環(huán)超過1000 次）。

創(chuàng)新點

提出了一種裂紋調(diào)控機制，通過采用γ-巰丙基三乙氧基硅烷對MXene進(jìn)行改性處理，得到巰基封端的MXene（S-MXene）納米片，在AgNW網(wǎng)絡(luò)和S-MXene納米片之間引入強、動態(tài)和可逆的S-Ag配位鍵，使S-M/A柔性應(yīng)變傳感器在拉伸過程中產(chǎn)生密集的網(wǎng)狀裂紋，從而克服了基于裂紋機理的柔性應(yīng)變傳感器中常見的傳感尺寸與傳感性能之間的固有矛盾，實現(xiàn)了具有寬應(yīng)變范圍、超高靈敏度、低滯后、快速響應(yīng)、長期穩(wěn)定性以及低至0.25 mm2傳感面積的柔性應(yīng)變傳感器。

來源：傳感器專家網(wǎng)