科研进展简报

基于层间距离极大可调的MXene高灵敏柔性压阻传感器

来源:武汉光电国家实验室(筹)    作者:能源光子学功能实验室    发布时间:2017年11月02日

        2011年,美国材料科学家Yury Gogotsi教授课题组通过化学刻蚀法制备出一种具有手风琴状的二维层状材料MXene。凭借其良好的亲水性、导电性和化学组成可调等优势,MXene在电能存储、电磁场屏蔽、海水淡化等领域表现了很好的应用前景。MXene具有大的纳米量级层间距,是一般埃量级层间距的几倍到十倍。在微力作用下,这种大的层间距就能产生变化。此性质为探测某些微弱生命活动的高灵敏和高柔性的力传感器提供了工作机制和物质基础。

        武汉光电国家实验室和物理学院的双聘教授高义华博士的研究团队多年来一直致力于用透射电子显微镜(TEM)原位研究微纳材料在外界作用下(力、热和光)的变化,从而研制出性能优异的相关新型器件。该团队选择性刻蚀制备出MXene材料(Ti3C2),用FIB聚焦离子束电镜进一步加工制备出测试样品,与武汉大学王建波教授等人合作,进行力作用下的原位TEM观察并证实大的层间距变化。这种压力作用下MXene的层间距离减小,导致相应导电通路和电流的增加,电阻减小;当撤去外力后,层间距恢复,导电能力恢复到原始状态。经过数百次的来回压缩,原位扫描电镜研究显示MXene仍然可以恢复至最初的结构状态,表明具有优良的重复性。借助于柔性聚酰亚胺叉指电极,制备了一种基于层间距离极大可调的MXene高灵敏柔性压阻传感器。该器件显示了极高的灵敏度(GF: 180.1),极快的响应时间(<30 ms), 极好的循环稳定性(>4000次),为拓宽MXene的其它应用提供了新的途径。

        2017年10月31日,该项成果“基于层间距离极大可调的MXene高灵敏柔性压阻传感器”(A Highly Flexible and Sensitive Piezoresistive Sensor Based on MXene With Greatly Changed Interlayer Distances)发表在Nature Communications上。该研究得到了国家自然科学基金(11374110, 11674113, 51371085)的资助,博士生马亚楠(也为湖北汽车工业学院的未脱产青年教师),青年教师刘逆霜博士、李露颖博士为共同第一作者。论文连接:https://www.nature.com/articles/s41467-017-01136-9?from=groupmessage。此工作在微观与宏观尺度上研究了新材料Mxene对力的响应与传感,是高义华教授发表的第二篇Nature系列文章。在此研究中,高义华教授作为负责人进行指导并组织了研究。2002年,高义华博士作为第一线研究人员和第一作者,研制出对热传感的纳米碳管温度计,发表于Nature杂志(2002年,415卷,599页),以此为基础的系列研究工作获得了日本的第16届2005年的Tsukuba Prize “筑波杰出科学家奖”(链接:https://www.i-step.org/prize/tsukuba/tsukuba_laureates.html),2005年起就连续被选入美国高中化学教科书 Introductory Chemistry «化学入门» (链接:http://www.nxtbook.com/nxtbooks/ngsp/introchemistry8/index.php#/60, 第35页)。

 

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图1,基于MXene材料压阻传感器的工作原理。(a)当外界压力作用于MXene基的压力传感器时,其层间距会减小。MXene中大层间距(Dw)比小层间距(Dn)压缩更明显。(b)基于MXene材料压阻传感器的等效电路图。外界压力的作用下,体系总电阻减小。

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图2,MXene的典型微观结构图以及在外力作用下原位动态变化过程。(a)MXene的截面图,内插图显示了层状结构。(b)MXene高分辨TEM平面图,内插衍射图显示六方晶型结构。(c)在原位施力装置中,一个由锥形针尖支撑的纳米压痕仪局部作用于MXene样品表面。用FIB双束聚焦扫描电镜对MXene材料进行加工制备得到观测样品。(d-f)在外力作用下,MXene中大层间距急剧减小。压缩7 s时层间距离约为12 nm, 9 s时约为3 nm, 10 s时为0 nm。(g-i) 在外力作用下,MXene中小层间距也会减小。7 s时4层总间距约为5.23 nm, 9 s时约为4.98 nm, 10 s时为4.81 nm。(j-l)使用digital micrograph software软件对(g-i)的数据进行进一步分析。测量原始的层间距(g),表明(h)和(i)的压力应变分别为4.78 %和8.03 %。a, b中的标尺为4 nm, c为200 nm, d-f为40 nm, g-i为20 nm。