最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員孫靜帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊首次提出了限制式裂紋增值感應(yīng)新機(jī)制，為高性能柔性應(yīng)變傳感器的設(shè)計提供了新思路。相關(guān)研究成果發(fā)表于《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Material 2019, 1807882），上海硅酸鹽所在讀博士生楊以娜為文章第一作者，副研究員王冉冉和研究員孫靜為文章共同通訊作者。

    論文鏈接：

    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201807882

    隨著柔性電子學(xué)的發(fā)展，輕、薄、柔的便攜式、可折疊、可穿戴的柔彈性器件逐漸成為一大研究熱點(diǎn)。其中，柔性傳感器是應(yīng)用最為廣泛的柔性電子器件，在運(yùn)動感應(yīng)、健康監(jiān)測、醫(yī)療診斷等方面均有廣泛的應(yīng)用前景。應(yīng)變傳感器的基本原理是將器件的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行輸出，從而用于監(jiān)測引起應(yīng)變的應(yīng)力信號，其最主要的性能參數(shù)包括靈敏度（通常用Gage factor（GF）、相對電阻變化與應(yīng)變變化的比值來表征）、應(yīng)變感應(yīng)范圍、檢測下限、循環(huán)穩(wěn)定性等。

    其中，靈敏度和應(yīng)變感應(yīng)范圍是最重要的兩個性能參數(shù)，如何兼具高靈敏度和大的應(yīng)變響應(yīng)范圍是柔性傳感器發(fā)展中面臨的重要挑戰(zhàn)。然而獲得高靈敏度需要器件在小的應(yīng)變下發(fā)生顯著的結(jié)構(gòu)變化，而大的工作范圍則要求器件在大應(yīng)變下仍能保持導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的連通性，通常這二者互為矛盾，難以兼得。目前，制作出同時具有較大應(yīng)變感應(yīng)范圍（大于50%）和高靈敏度（全應(yīng)變范圍內(nèi)靈敏度大于100）的柔性電子傳感器存在一定困難。

    孫靜團(tuán)隊以MXene材料——Ti3C2Tx為研究對象，通過對Ti3C2Tx進(jìn)行材料微結(jié)構(gòu)設(shè)計，成功研制了基于Ti3C2Tx納米顆粒-納米片混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高性能柔性應(yīng)變傳感器。

    圖a：基于Ti3C2Tx納米顆粒-納米片混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器的工作原理；圖b：Ti3C2Tx基傳感器的相對電阻變化-應(yīng)變曲線；圖c：Ti3C2Tx納米顆粒-納米片混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的SEM圖。

    利用納米顆粒-納米片的協(xié)同運(yùn)動，該柔性應(yīng)變傳感器同時實(shí)現(xiàn)了高靈敏度及寬響應(yīng)范圍，在整個應(yīng)變感應(yīng)范圍內(nèi)（53%）的靈敏度高于100（GF>178.4），并具有極低的檢測限（0.025%）和高循環(huán)穩(wěn)定性等優(yōu)勢，能夠精準(zhǔn)檢測呼吸、脈搏等生理信號。該研究首次提出了限制式裂紋增值感應(yīng)新機(jī)制，為高性能柔性應(yīng)變傳感器的設(shè)計提供了新思路。相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金面上項目、上海市基礎(chǔ)重點(diǎn)項目、上海市青年科技啟明星項目等的資助。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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