中科院合力 Nano Energy報道: 用于自供能觸覺傳感的透明和可拉伸摩擦電納米發電機

【文章亮點】

1、基于離子凝膠的透明、可拉伸摩擦納米發電機（TENG）實現柔性觸覺傳感。

2、自供能TENG傳感器在不同的拉伸比下可實現穩定的壓力傳感。

3、傳感器可以檢測到不同的人體和生理活動。

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【背景介紹】

? ? ? ? 如今，隨著柔性材料的飛速發展，可穿戴電子產品已經在晶體管、應變傳感器和儲能裝置等領域出現。對于能適應人體皮膚且具有柔性、可拉伸性和透明性特點的應變傳感器也寄予厚望。大多數應變傳感器的柔性和可拉伸性來自其自身的活性材料，電阻與其尺寸呈線性關系。目前，已經有幾種策略以實現活性材料的可拉伸性。例如將碳納米管（CNT）、金屬納米纖維/納米線或炭黑作為導電填料摻雜到彈性體中以形成柔性電極。然而，由于導電填料的固有顏色和無彈性，降低了柔性傳感器的透明性和拉伸性。相比而言，摻雜高濃度離子的透明彈性導電水凝膠可以獲得更好的透明性和拉伸性，但是脫水的水凝膠會變得易碎且不透明，失去其原始透明度和拉伸性。

? ? ? ? 盡管在可拉伸性和透明性方面取得了重大進展，但是現有的可穿戴傳感器仍需要外部電源才能正常工作。基于摩擦電納米發電機（TENG）的傳感器為自供能傳感提供一種很有前景的解決方案。基于摩擦帶電和位移電流的耦合效應，TENG有效地將環境機械能轉換為電能。摩擦電器件的優點包括柔性、質輕以及材料選擇廣，這些對于可穿戴電子設備來說是非常理想的。TENG的工作模式有以下四種：垂直接觸分離式、單電極式、獨立摩擦層式、接觸滑動式。目前基于水凝膠的可拉伸和透明的TENG都具有單電極結構，限制了它們的應用。此外，TENG可拉伸電極是在電解質水溶液中形成的導電水凝膠，水凝膠的脫水不可避免，降低了離子電導率和機械彈性。

【成果簡介】

? ? ? ? 最近，中國科學院北京納米能源與系統研究所李琳琳團隊和王中林院士團隊與中國科學院理化技術研究所劉洪亮團隊（共同通訊作者）合作，報道了一種完全透明、高度可拉伸和自供電的接觸分離摩擦納米發電機（TENG）作為觸覺傳感器。TENG由透明、可拉伸、導電的雙網狀離子凝膠作為電極和一層摩擦層以及另一層帶圖案的聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 摩擦層組成。當檢測到0.1~1 N范圍內的沖擊力時，傳感器可達到最大靈敏度1.76 V·N^-1。同時，傳感器具有良好的拉伸性，在不同拉伸比下摩擦電信號與脈沖壓力保持良好的線性關系。此外，由于離子液體（ILs）不揮發，結合離子凝膠的高離子電導率保證了傳感器的穩定性能。這種結合自供能TENG結構和高拉伸性、透明性和導電性的離子凝膠的傳感器在可穿戴和柔性電子設備中具有巨大的應用潛力。研究成果以題為“Transparent and Stretchable Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Tactile Sensing”發布在國際著名期刊Nano Energy上。

中科院北京納米能源所趙更銳博士和中科院理化所碩士生張亞文是本論文的并列第一作者。

【圖文解析】

圖一、透明和可拉伸TENG型觸覺傳感器的結構
（a）傳感器的分層結構；

（b）具有突出三角形條紋的圖案化PDMS膜的SEM圖像；

（c）離子凝膠網絡的分子結構；

（d）基于TENG的傳感器的應力-應變曲線；

（e）原始（左）的TENG傳感器和斷開前的極限長度（右）的照片。

圖二、基于離子凝膠的TENG傳感器的透明度和導電性
（a）基于離子凝膠的傳感器、PDMS膜、離子凝膠膜和圖案化PDMS膜在可見光范圍內的透光率；

（b）未拉伸的離子凝膠膜的平均電導率；

（c, d）在拉伸前后，由LED的亮度表示的離子凝膠膜的電導率沒有明顯改變 [(c)：拉伸前；(d)：拉伸后]；插圖為測試電路。

圖三、基于離子凝膠的TENG傳感器的工作原理和輸出特性
（a）TENG的一個完整工作循環；

（b）在1 Hz、0.1 N的脈沖力下引起的未拉伸傳感器的開路電壓；

（c）在1 Hz、0.1 N的脈沖力下引起的未拉伸傳感器的短路電流；

（d）在1 Hz的脈沖力下的未拉伸傳感器的摩擦電V_oc；

（e）在2 Hz的脈沖力下的未拉伸傳感器的摩擦電V_oc。

圖四、TENG傳感器的摩擦電（V_oc）輸出
（a-c）在1 Hz不同的脈沖沖擊力下，10％、50％和80％應變傳感器的V_oc；

（d）在不同的拉伸比下，1 Hz下不同壓力時傳感器的V_oc；

（e）在1 Hz、0.4 N的沖擊力下，50%應變傳感器6000次循環的V_oc。

圖五、TENG傳感器可以檢測多種類型的人體活動
（a）拉伸產生的傳感器的摩擦電信號；

（b）扭曲產生的傳感器的摩擦電信號；

（c）觸摸產生的傳感器的摩擦電信號；

（d）當傳感器連接在手指關節上時，手指彎曲產生的傳感器的摩擦電信號；

（e）氣流吹到傳感器上時產生傳感器的摩擦電信號；

（f）人體脈搏產生的傳感器的摩擦電信號。

【小結】

綜上所述，作者制備了一種透明且可拉伸的TENG型觸覺傳感器。傳感器的TENG結構由作為柔性電極和一個摩擦層的的雙網狀離子凝膠以及具有二維條紋結構的PDMS層的摩擦電層組成。其中，圖案化PDMS層與高導電離子凝膠層之間的接觸分離運動是由外部脈沖力所引起的，可以輸出穩定的摩擦電壓或電流用于感測。該傳感器具有高透明度、良好的拉伸性、對不同拉伸比在0.1~1 N范圍內都具有良好的壓力敏感性。最后，作者通過檢測不同壓力大小的觸摸、手指彎曲、人類呼吸和脈搏跳動來展示這種自供電傳感器的生物醫學應用。這種具有良好透明度、可拉伸性和靈敏度的自供電皮膚傳感器未來在可穿戴傳感電子設備的中將顯示出巨大潛力。

文獻鏈接：Transparent and Stretchable Triboelectric Nanogenerator for Self-Powered Tactile Sensing（Nano Energy, 2019, DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.02.054）

通訊作者簡介：

王中林，中國科學院外籍院士和歐洲科學院院士。現為佐治亞理工學院終身校董事講席教授，Hightower終身講席教授，中國科學院北京納米能源與系統研究所所長兼首席科學家。已在國際一流刊物上發表了超過1400篇期刊論文（其中40余篇發表在 Science、Nature及子刊上），7本科學專著，超過200項專利。他已被邀請做過900多次學術講演和大會特邀報告。2015年湯森路透引文桂冠獎獲得者，2018年第十一屆埃尼“前沿能源獎”獲得者，位列Google Scholar（谷歌學術）2018年公布的全球納米技術專家學術引用與影響力排行榜第一名。王中林院士的研究具有原創性，前瞻性和引領性。他在電子顯微學和納米科學方面有多項國際重要影響力的原創性和開創性研究成果，其中包括反射電子能量損失譜，等離子體激發，電子的非彈性散射理論，透射顯微鏡中納米材料的力學和電學性能的原位測量技術，納米氧化鋅的生長和控制，納米發電機，壓電電子學，壓電光電子學，納米傳感等。

網頁鏈接：http://www.nanoscience.gatech.edu/

李琳琳，中科院北京納米能源與系統研究所研究員/納米能源與生物傳感課題組負責人。2002年獲安徽大學學士學位，2005年獲北京師范大學碩士學位，2008年獲中科院理化所博士學位。曾獲2014年中科院盧嘉錫青年人才獎，2015年中科院青年促進會會員。主持國家自然科學基金、北京市自然科學基金等10余項項目。在Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等學術期刊發表第一/通訊作者的論文40余篇，論文共被引用5000余次，H-index為32，獲授權發明專利7項，參編英文專著3章。

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