高義華教授團隊：制備出一種高靈敏柔性壓阻傳感器

【成果簡介】

Nature Communications在線刊發了物理學院和光電國家實驗室雙聘教授高義華博士團隊的最新研究成果:基于層間距離極大可調的二維過渡金屬碳化物高靈敏柔性壓阻傳感器（A Highly Flexible and Sensitive Piezoresistive Sensor Based on MXene With Greatly Changed Interlayer Distances）。博士生馬亞楠、青年教師劉逆霜博士、李露穎博士為論文共同第一作者。

【圖文導讀】

圖1 MXene材料用于壓阻式傳感器的工作微觀機制

a）兩個相鄰中間層之間的距離

b）基于MXene的壓阻式傳感器的等效電路圖

圖2 4×4 MXene的傳感器陣列

a）基于4×4 MXene的傳感器像素陣列

b）手表放置在傳感器陣列上

c）記錄和測量每個像素的相應輸出

【研究內容】

2011年，美國材料科學家Yury Gogotsi教授帶領的課題組通過化學刻蝕法制備出一種具有手風琴狀的二維過渡金屬碳化物層狀材料（簡稱MXene）。憑借其良好的親水性、導電性和化學組成可調等優勢，MXene在電能存儲、電磁場屏蔽和海水淡化等領域展現出較好的應用前景。MXene具有大的納米量級(10-9m)層間距，是一般埃量級(10-10m)層間距的幾倍到十倍。在微力作用下，這種大的層間距會產生相應的變化，這種特性為探測某些微弱生命活動的高靈敏和高柔性的力傳感器提供了工作機制和物質基礎。

高義華研究團隊多年來一直致力于用透射電子顯微鏡（TEM）原位研究微納材料在外界作用下（力、熱和光）的變化，從而研制出性能優異的相關新型器件。該團隊選擇性刻蝕制備出了一類MXene材料（Ti3C2），用聚焦離子束(FIB)電鏡進一步加工制備出測試樣品。同時，與武漢大學王建波教授等人合作，進行力作用下的原位透射電子顯微鏡觀察從而證實了大的層間距變化。這種壓力作用下MXene的層間距離減小，促使相應導電通路的產生和電流的增加，電阻減小；當撤去外力后，層間距恢復，導電能力恢復至原始狀態。經過數百次的來回壓縮，原位掃描電鏡研究顯示MXene仍然可以恢復至最初的結構狀態，表明其具有優良的可重復性。該團隊借助于柔性聚酰亞胺叉指電極，制備了一種基于層間距離極大可調的MXene高靈敏柔性壓阻傳感器。該器件顯示了極高的靈敏度（GF:180.1），極快的響應時間（<30ms），極好的循環穩定性（>4000次)，為拓寬MXene的其它應用提供了新的途徑。

此工作在微觀與宏觀尺度上研究了新材料Mxene對力的響應與傳感，是高義華教授發表的第二篇Nature系列文章。該研究工作得到了國家自然科學基金等項目的資助。

原文鏈接：http://news.hust.edu.cn/2017/1108/c155a88521/page.htm

文獻鏈接：A highly flexible and sensitive piezoresistive sensor based on MXene with greatly changed interlayer distances（Nat.Commun.,2017,DOI:10.1038/s41467-017-01136-9）

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