北海道大學(xué)：基于ZnO納米粒子激光誘導(dǎo)石墨烯的超靈敏可拉伸應(yīng)變傳感器

背景介紹

本文亮點(diǎn)

圖1. 選擇性轉(zhuǎn)換ZnO納米粒子（NP）輔助激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）。（a） 通過波長(zhǎng)為10.6μm的CO2激光照射制備選擇性ZnO NP輔助LIG的工藝。（b） LIG的示意圖和照片被選擇性地轉(zhuǎn)化為大學(xué)標(biāo)志圖案形狀。經(jīng)北海道大學(xué)2024許可轉(zhuǎn)載。（c） ZnO NP輔助選擇性圖案化LIG的光學(xué)圖像。（d） 有和沒有ZnO NP的LIG的拉曼光譜。（e） 能量色散X射線光譜圖圖像顯示了選擇性轉(zhuǎn)換LIG中的碳、氧和鋅分布；比例尺，50 μm。（f） 在不同的ZnO NP直徑和不同的旋涂速度（即ZnO NP厚度）下，將每個(gè)樣品轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)IG所需的臨界通量（?crit）。（g） ?涂有各種平均直徑（25和200 nm）的ZnO NP且不含ZnO的PI轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)IG所需的臨界值；?crit繪制在左側(cè)y軸上，ZnO厚度繪制在右側(cè)y軸上。（h） 紅外攝像頭圖像。（i） 溫度隨時(shí)間變化，用50 mW激光照射到基板上的單個(gè)點(diǎn)上，在聚酰亞胺（PI）上以500 rpm涂覆和不涂覆ZnO NP（平均直徑25 nm）。

圖2. 紫外線（UV）和彎曲應(yīng)變傳感器。（a） 單面UV傳感器（傳感器1）和另一側(cè)彎曲應(yīng)變傳感器（傳感器2）的雙面?zhèn)鞲衅鞯闹圃旃に嚒＃╞） ZnO納米粒子（NP）紫外光電探測(cè)器的光學(xué)顯微鏡圖像。（c） 在黑暗條件下和1000 μW/cm²紫外線照射下記錄的電流-電壓曲線。（d） ZnO NP光電探測(cè)器在+10 V偏壓下1000 μW/cm²紫外輻照度下的實(shí)時(shí)光響應(yīng)。（e） 傳感器在不同紫外線強(qiáng)度下的響應(yīng)。（f） 彎曲應(yīng)變傳感器LIG形成過程中50、100和200 μm激光掃描間隔的光學(xué)顯微鏡圖像。（g） 在有和沒有ZnO NP的情況下，以及在不同激光掃描間隔下，應(yīng)變下電阻變化率（ΔR/R0）值的比較；粗線表示彎曲值，細(xì)線表示釋放值。（h） 連續(xù)應(yīng)變作用下的實(shí)時(shí)響應(yīng)。（i） 應(yīng)變傳感器在0.32%應(yīng)變范圍內(nèi)進(jìn)行了2000多次循環(huán)的長(zhǎng)期循環(huán)測(cè)試。插圖突出顯示了傳感器在測(cè)量開始和結(jié)束時(shí)的響應(yīng)。（j） 本研究與先前研究中報(bào)告的傳感器之間的靈敏度和應(yīng)變范圍的比較。

圖3. 可拉伸激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）應(yīng)變傳感器。（a） 可拉伸LIG應(yīng)變傳感器的制造工藝。（b） 剝離嵌入LIG層的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜的照片。（c）LIG-PDMS和聚酰亞胺（PI）薄膜上殘留LIG的拉曼光譜，有和沒有ZnO納米粒子（NP）。（d） 在有和沒有ZnO NP的情況下轉(zhuǎn)移到PDMS的LIG結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像。（e） LIG可拉伸染色傳感器。（f） 電阻變化率（ΔR/R0）是有和沒有ZnO NP和不同方向的傳感器施加應(yīng)變的函數(shù)：沿激光掃描方向在垂直和平行應(yīng)變方向上涂覆ZnO NP的PI薄膜，在垂直方向上沒有ZnO NP的LIG。（g） 不同菌株應(yīng)用下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。（h） 在各種循環(huán)應(yīng)變的應(yīng)用下進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。（i） 本研究和現(xiàn)有研究對(duì)可拉伸應(yīng)變傳感器的測(cè)量因子和應(yīng)用應(yīng)變進(jìn)行了基準(zhǔn)比較。（j）在4%應(yīng)變下進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)2000次循環(huán)的長(zhǎng)期循環(huán)試驗(yàn)。插圖突出顯示了傳感器在測(cè)量開始和結(jié)束時(shí)的響應(yīng)。（k） 可拉伸應(yīng)變傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間。

圖4. 雙面集成紫外線（UV）和彎曲應(yīng)變傳感器。（a） 電阻變化率（ΔR/R0）是使用彎曲應(yīng)變傳感器測(cè)量的壓縮彎曲應(yīng)變的函數(shù)。（b） ΔR/R0是使用紫外光電探測(cè)器測(cè)量的各種紫外強(qiáng)度下應(yīng)變的函數(shù)。（c） 在+10V偏壓下，傳感器在不同紫外線強(qiáng)度下的紫外線響應(yīng)。（d） 雙面集成傳感器的照片；一側(cè)的UV傳感器和另一側(cè)的彎曲應(yīng)變傳感器。（e） 雙面?zhèn)鞲衅髌谧贤饩€和彎曲應(yīng)變應(yīng)用下的電阻實(shí)時(shí)變化，并對(duì)紫外線響應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償。

圖5. 跑步姿勢(shì)監(jiān)測(cè)。（a）腳上傳感器的照片。（b） 兩種跑步姿勢(shì)的照片：前腳觸地和腳跟觸地。三個(gè)傳感器在（c）前腳觸地跑和（d）腳跟觸地跑過程中的實(shí)時(shí)阻力變化率?；谂懿竭^程中（e）前腳觸地和（f）腳跟觸地三個(gè)傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的動(dòng)畫。