清華大學Adv. Funct. Mater.：用碳化絲納米纖維薄膜制備電子皮膚

【引言】

近年來，電子皮膚因其較高的壓力敏感性取得了很好地發展。但至今為止，已經報道的電子皮膚壓力傳感器大部分是基于納米材料和微結構聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，由于這些材料的生物毒性和一些冗雜的制備步驟，限制了其廣泛應用。因此，目前迫切需要一種價格便宜、可大量制備的且制備過程具有生物相容性的類皮膚壓力傳感器的制備方法。而蠶絲蛋白（SF）作為一種天然蛋白質用來作為柔性電子材料的襯底越來越受到人們重視。

【成果簡介】

近日，清華大學的張瑩瑩副教授（通訊作者）等人采用碳化絲納米纖維膜（CSilkNM）作為活性材料，以PDMS薄膜作為柔性襯底制備了類皮膚壓力傳感器。他們通過對蠶絲進行靜電紡絲和碳化工藝制備透明超薄的CSilkNM，然后與平面PDMS薄膜集成為柔性傳感器。這種CSilkNM壓力傳感器表現出了優越的性能與優點：具有超高靈敏度（34.47 kPa^?1）、較低探測范圍下限（0.8Pa）、反應時間短（<16.7 ms）、持久性強（>10000圈），并且具有很好的柔韌性，可以低成本、大規模制備。可以預見，其將在下一代可穿戴式電子產品有許多潛在的應用。該文章發表在Adv. Funct. Mater.，題為Carbonized Silk Nanofiber Membrane for Transparent and Sensitive Electronic Skin。

【圖文導讀】

圖1. CSilkNM壓力傳感器的制備過程和結構

（a）CSilkNM壓力傳感器的制備過程

（b）和（c）獲得的傳感器材料的透明度和柔韌性展示圖片

（d）蠶絲納米纖維薄膜的光學照片，標尺：100 μm

（e）CSilkNM的SEM圖片，標尺：1μm

圖2.天然蠶絲和碳化后蠶絲圖片

（a）天然蠶絲的結構圖，其中β層在加熱條件下可以轉化成芳香族多碳環結構。

（b）CSilkNM的高分辨率TEM圖片，標尺：5nm

（c）和（d）SilkNM和CSilkNM的拉曼光譜和高分辨率的XPS圖譜

圖3. CsilkNM壓力傳感器的靈敏性和透明度以及CsilkNM的各種形態

（a）不同CSilkNM壓力傳感器在壓力變化下的相關電流變化。其中虛線是對每個壓力傳感器靈敏度的線性回歸

（b）CSilkNM對紫外光的吸收圖譜，小插圖表示隨著靜電紡絲時間的增加其透過率線型降低

（c-f）不同紡絲時間下的CSilkNM的SEM圖片

圖4. 壓力傳感器的穩定性和反應時間測試

（a）壓力傳感器在不同的壓力下的I-V曲線

（b）壓力傳感器在2.5 kPa壓力下的以0.5Hz頻率下經過超過10000次循環裝卸后的穩定性測試，插圖表示在分別經過1000和9000次循環后在進行50次循環測試的結果

（c）在壓力范圍為10Pa-5kPa的不同壓力作用下，傳感器的多周期壓力反應圖

（d）傳感器在高頻率壓力作用下的反應圖，右側表示傳感器的反應速度在16.6 ms以內

圖5.在人體的實時原位監測和假肢接觸模擬

（a）（c）分別為正常和運動后的動脈脈搏波、呼吸譜。插圖分別表示傳感器貼附在手腕和胸膛處

（b）從（a）圖中提取出的單一信號圖形

（d）頸靜脈壓力測量，其中插圖表示表示其傳感器圖片和單信號的放大圖

（e）傳感器穿戴者說出 “wearable”、“sensor”、“change”和“world”四個單詞時傳感器對聲信號的識別圖譜，其中每個單詞會會說兩次，其中插圖表示相應圖片

（f）將傳感器貼在指尖，用不同的壓力摘葡萄，傳感器的反應波形。這表示人類可以在傳感器的幫助下利用假肢拿東西

圖6.壓力傳感器矩陣模型及其壓力空間分布圖譜

（a）9×9像素集成型CSilkNM傳感器陣列的模型原理圖

（b）像素傳感器陣列對各種輕重量物體檢測圖譜

【總結】

張瑩瑩副教授團隊制備的這類傳感器因具有超高靈敏度（34.47 kPa^?1）、較低探測范圍下限（0.8Pa）、反應時間短（<16.7 ms）、持久性強（>10000圈）等優異性能。基于這些優良的性能和對人體的緊密貼合特性，該傳感器可以對人類的橈動脈脈搏、呼吸、頸靜脈脈沖和聲帶震動等信號進行實時監測，有望實現幫助失去觸覺的朋友獲得對物體的感知能力。

文獻鏈接：Carbonized Silk Nanofiber Membrane for Transparent and Sensitive Electronic Skin（Adv. Funct. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adfm.201605657）

本文由材料人電子電工學術組王嬋供稿，材料牛整理編輯。

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