Nano Lett.: 基于二氧化釩和碳納米管薄膜組裝的多功能全無機柔性驅動器

【引言】

驅動器是一種將外部刺激轉換成機械動力的裝置，在仿生機器人、人造肌肉和微電子機械系統等領域具有廣泛地應用。近年來，隨著可穿戴電子設備的興起，具有快響應、低能耗、長壽命、柔性好等優異性能的驅動器吸引了研究人員的廣泛關注。然而目前，大部分柔性驅動器由全有機或是有機/無機復合材料組成，響應慢、有限的壽命和高能耗等缺陷極大限制了其應用。二氧化釩作為一種經典的相變材料，在68℃附近會發生金屬—半導體相變，從低溫的單斜晶向結構轉變為高溫的四方晶向結構。整個轉變過程非常快，易于精密加工，大大降低了能耗，這就使二氧化釩能夠作為調控輸入功率的理想材料，應用于柔性無機驅動器中。

【成果簡介】

近日，清華大學低維量子物理國家重點實驗室魏洋教授和新陶瓷與精細加工國家重點實驗室劉鍇教授（共同通訊作者）等人采用激光微調技術制備了不同幾何形狀的碳納米管薄膜，同時在薄膜上沉積生長二氧化釩薄膜，制備出基于VO₂ /CNT 復合薄膜的全無機多功能柔性驅動器，并且成功應用在仿生昆蟲翅膀、毫米級仿生手指等方向。與此同時，研究人員還將鎢摻雜進復合薄膜，大大降低了材料的相變溫度，從而制備出可應用于人體溫度驅動電子開關的W-VO₂/CNT 驅動器。

研究發現，上述驅動器可以在100Hz?的高頻率下對外部刺激做出快速響應，同時在經過持續1000000次的連續可逆變形后，該驅動器仍然保持著穩定性能。如此優異的性能，主要歸功于二氧化釩的摻雜，大大降低了相變溫度和能量損耗，以及碳納米管薄膜良好的導電性和光吸收性能，大大提高了驅動器對外界刺激的響應能力。

【圖文導讀】

圖一 VO₂ /CNT 驅動器的制備過程及表征

（A）VO₂ /CNT 驅動器的制備過程示意圖。

（B）激光微調技術處理的不同圖案的碳納米管薄膜。

(C, D) 分別為三角形VO₂ /CNT 驅動器的掃描電鏡圖像和局部放大圖。

（E，F）分別是VO₂ /CNT 驅動器的Raman圖譜和EDX 能譜圖。

圖二 VO₂ /CNT 和W-VO₂ /CNT?驅動器對不同外部刺激的響應

（A）VO₂ /CNT 驅動器對外部刺激的響應原理示意圖。

（B） 隨溫度從60℃升高到78℃，VO₂ /CNT 驅動器響應的光學圖像。

（C, D）分別是加熱和降溫過程中，VO₂ /CNT 和W-VO₂ /CNT 驅動器的電阻變化和末端位移變化。

（E）在焦耳加熱和激光輻照的驅動下，VO₂ /CNT 和W-VO₂ /CNT 驅動器的末端位移隨功率損耗的變化趨勢圖。

（F）VO₂ /CNT 和W-VO₂ /CNT 驅動器末端位移隨驅動頻率的變化趨勢圖。其中，VO₂ /CNT 驅動器分別由激光（1900 mW/cm²）和焦耳加熱（2380 mW/cm²）驅動，W-VO₂ /CNT 驅動器由激光（624 mW/cm²）驅動。插圖為VO₂ /CNT 驅動器在空氣中運行1000000次的可行性測試，結果表明該驅動器幾乎沒有發生振幅衰減。

圖三? ?三角形VO₂ /CNT?驅動器的溫度分布

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（A）三角形VO₂ /CNT 驅動器輸入功率為2065 mW/cm²時的溫度分布模擬示意圖。

（B）不同輸入功率密度下三角形VO₂ /CNT 驅動器監控點溫度的模擬數據和實驗數據的對比。

（C）不同功率密度的激光輻照下，紅外攝像機捕獲的碳納米管薄膜熱像圖。圖中標尺為2 mm。

圖四 ?VO₂ /CNT?雙壓電晶片的仿生應用：昆蟲翅膀和仿生手指

（A）VO₂ /CNT 雙壓電晶片制備的昆蟲翅膀側視圖像。

（B）激光輻照時翅膀拍動的圖像。

（C）VO₂ /CNT 雙壓電晶片制備的帶四根手指的仿生手指圖像。

（D）激光輻照時手指收緊的圖像。

（E-H）激光控制仿生手指將紙片從A移動到B位置。

圖五? 人體溫度驅動W-VO₂ /CNT?電子開關

（A）人體溫度驅動W-VO₂ /CNT 電子開關的原理示意圖。

（B）由于W-VO₂ /CNT 開關的驅動，儀表A的電路在37℃被切斷，冷卻后又重新恢復。插圖為W-VO₂ /CNT開關和鎢探針連接的光學圖像。

【小結】

本文作者成功利用激光微調和磁控濺射技術，將二氧化釩與碳納米管薄膜材料相結合，制備出一種具有快速響應（> 100Hz）、長壽命、低能耗的全無機柔性驅動器。該驅動器在經過持續1000000次的驅動后，并沒有明顯的振幅衰減，顯示出優異的性能。此項研究為柔性驅動器在仿生、電子開關等領域的應用提供了新的思路和途徑。

文獻鏈接：Flexible, All-Inorganic Actuators Based on Vanadium Dioxide and Carbon Nanotube Bimorphs （Nano Lett., 2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett. 6b04393）

該文獻匯總由材料人編輯部納米學習組章華供稿，材料牛編輯整理。

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