蘭州化物所：柔性紙基集成器件研究取得新進展

【成果簡介】

蘭州化物所研究人員將MSC和紫外傳感器或者氣體傳感器集成到了同一單片紙上，集成器件顯示出了良好的傳感特性和自供電特性。這種基于紙質基底的集成策略為便攜式和可穿戴電子開拓了一種新的設計方法。相關研究工作近期以“In-Plane Micro-Supercapacitors for an Integrated Device on One Piece of Paper”為題在線發表在?Adv. Funct. Mater. 上，工作得到了國家自然科學基金和研究所“一三五”重點培育項目的資助和支持。?

【圖文導讀】

圖1 紙基自供電傳感器的實物圖

圖2 可持續自供電的集成設備

a，串聯AMSC橋接太陽能電池和氣體傳感器的示意圖，用于存儲太陽能并為傳感器提供能量；

b，PANI納米棒的SEM圖像；

c，商業太陽能電池充電的串聯AMSC的充電曲線和串聯AMSC在電流密度為0.1mA cm^-2時的放電曲線；

d，當交替輸入氣態NH 3和HCl時，由串聯AMSC驅動的基于PANI的氣體傳感器的響應和恢復曲線。

【研究內容】

柔性傳感器由于能被穿戴或植入人體并能檢測周圍環境信息而在醫療健康領域引起了廣泛的關注。然而，作為用電器件的傳感器自身并不能獨立工作，而需要電源為其供電。平面型微型超級電容器（MSC）作為一種新型的微型電化學儲能器件能夠容易地與傳感器及其它電子器件進行有效集成。一般的方法是將傳感器與電源通過外接導線連接，但這在柔性可穿戴技術中會引起極大的不便。所以當前的挑戰是如何將柔性和無線電源與傳感器集成到同一芯片。?

紙質材料成本低、可即用即棄，并且具有多孔和粗糙的纖維結構從而可以增強其與電子器件的結合力。遺憾的是，由于纖維素孔隙引起的毛細作用使得通過印刷技術印刷的墨水材料會在紙基表面擴散，導致形成的圖案質量較差。中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室閻興斌研究員團隊通過絲網印刷技術在濾紙表面形成了金屬Ni叉指化集流體，并結合后續的電鍍技術增強了集流體的導電性，同時抑制了金屬Ni在紙基表面的擴散，形成了分辨率較高的圖案化集流體。進而在Ni表面通過電化學沉積MnO₂或者聚吡咯（PPy）活性材料，并滴凃凝膠電解質，形成了基于MnO₂的對稱性超級電容器以及基于MnO₂和PPy的非對稱超級電容器。經過測試，表明該紙基超級電容器具有較好的電化學特性和很強的耐機械形變特性（彎折1萬次后容量幾乎沒有衰退），其能量密度和功率密度皆位于同類型超級電容器的前列。?

基于在紙面印刷的金屬集成電路，研究者們將MSC和紫外傳感器或者氣體傳感器集成到了同一單片紙上，集成器件顯示出了良好的傳感特性和自供電特性。未來有望將能量采集、能量存儲和用電器件集成到同一紙基芯片。

原文鏈接：http://www.licp.cas.cn/xwzx/kydt/201709/t20170919_4861966.html。

文獻鏈接：In-Plane Micro-Supercapacitors for an Integrated Device on One Piece of Paper(Adv. Funct. Mater. 2017,?DOI:10.1002/adfm.201702394)

本文由材料人編輯部王冰編輯，點我加入材料人編輯部。

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