香港中文大學許建斌研究組ACS Nano：可以持續測量壓力信號的石墨烯/壓電納米線傳感器

【引言】

壓電納米線可以把微弱的壓力信號轉化為電信號同時具有微秒級的反應速度，有望在壓力傳感器中得到應有。 然而， 壓電納米線的對壓力反應的電信號是以脈沖形式存在， 即只有在壓力施加的過程才有電信號的產生， 一旦施加壓力穩定， 其電信號就會消失。這種現象使得壓電納米線只能作為動態信號響應的壓力傳感器， 而不能用做靜態壓力的測量。

【成果簡介】

近日，香港中文大學電子工程系許建斌教授、李昕明博士（共同通訊作者）與合作者在ACS Nano上發表題為“Flexible Piezoelectric-Induced Pressure Sensors for Static Measurements Based on Nanowires/Graphene Heterostructures”的文章，本文第一作者為香港中文大學博士研究生陳澤鋒和湖北大學王釗博士。文中作者提出一種復合石墨烯與壓電納米線的壓阻型柔性壓力傳感器，這種體系可以實現用納米線實現對壓力的信號測量。在該器件中，石墨烯作為載流子輸運通道，PbTiO3納米線作為壓力響應材料。壓力作用下，PbTiO3納米線的應變誘導極化電荷影響石墨烯的電荷散射，從而導致石墨烯的載流子遷移率下降， 進而改變石墨烯的電阻。這樣，該復合結構可以實現對壓力信號的持續穩定測量。

【圖文導讀】

圖1 柔性石墨烯/壓電納米線壓力傳感器的制備流程及材料表征

（a）柔性石墨烯/壓電納米線傳感器的制備流程圖

（b）石墨烯的Raman 光譜

（c）PbTiO3納米線的掃描電鏡圖

圖2石墨烯/壓電納米線的壓力響應性能

（a）不同壓力下的響應電流

（b）脈沖壓力下的電流響應

（c）器件的壓力響應響應速度

圖3 復合結構與非復合結構的壓力響應對比結果

（a）純壓電納米線的壓力響應

（b）純石墨烯的壓力響應

（c）石墨烯/壓電納米線的壓力響應

圖4 石墨烯/壓電納米線復合機構的工作機理說明

（a）石墨烯/壓電納米線場效應晶體管在不同壓力下的轉移曲線

（b）從圖（a）中提取的壓力誘導電流

（c）從圖（a）中擬合出來的石墨烯載流子遷移率和殘留電荷濃度

（d）-（f） 石墨烯/壓電納米線場效應晶體管在非受壓與受壓時的界面能帶結構

圖5 柔性石墨烯/壓電納米線壓力傳感器在健康監測中的應用

（a）器件用于監測手腕脈搏

（b）和（c）手腕脈搏作用在器件上形成的電流信號

【小結】

本文實現了具有優異性能的壓電納米線/石墨烯壓力傳感器，并實現了壓力信號的穩定靜態測試，該器件設計思路也有望在石墨烯其他異質結構或其他二維材料器件應用中得到廣泛應用。

文獻鏈接：Flexible Piezoelectric-Induced Pressure Sensors for Static Measurements Based on Nanowires/Graphene Heterostructures（ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.6b08027)

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