本發(fā)明涉及一種柔性電子器件，柔性電子器件的組裝與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于具有尖錐結(jié)構(gòu)石墨烯的高靈敏度壓力傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

壓力傳感器，是應(yīng)用于新型柔性電子器件的最重要組成部分之一。具有納米量級(jí)超薄厚度的高靈敏度壓力傳感器正是目前的研究熱點(diǎn)，以方便集成于可穿戴的柔性設(shè)備中。合適材料的選取和微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是決定壓力傳感器性能的關(guān)鍵。因?yàn)榫哂辛己玫膶?dǎo)電性，金、銀和金屬氧化物的納米線等一維材料是目前使用率較高的作為制備壓力傳感器的基礎(chǔ)材料，但相對(duì)較低(一般小于10kpa^-1)的靈敏度還有待提高，以在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮更大的作用。石墨烯材料在現(xiàn)階段雖然也已被應(yīng)用于壓力傳感器的制備，但是主要是以厘米級(jí)的石墨烯三維塊體結(jié)構(gòu)的形式(aflexibleandhighlypressure‐sensitivegraphene–polyurethanespongebasedonfracturedmicrostructuredesign.adv.mater.2013,25,6692.)，為壓力傳感器在超薄柔性器件中的集成帶來了不便。

另外，理論和實(shí)驗(yàn)研究都表明，在二維材料的表面構(gòu)筑一些凸起的如柱子、尖錐、褶皺和半球的結(jié)構(gòu)有利于大幅度提高基于這種材料的壓力傳感器的靈敏度和傳感速度。無論是基于電阻式還是電容式的壓力傳感器，尖錐結(jié)構(gòu)都可以使傳感器在較小的壓力下產(chǎn)生電流響應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的探測(highlystretchableresistivepressuresensorsusingaconductiveelastomericcompositeonamicropyramidarray.adv.mater.2014,26,3451.)。

因此，在二維石墨烯中引入均勻可控的尖錐結(jié)構(gòu)，是制備壓力傳感器的理想材料，而其超薄的厚度也有利于在柔性電子器件中的集成和應(yīng)用。最重要的是，在兩層導(dǎo)電的帶有尖錐狀結(jié)構(gòu)石墨烯中插入絕緣的二維材料，不僅使壓力傳感器在非工作狀態(tài)中不消耗額外的能量，而且從導(dǎo)通到不導(dǎo)通的開關(guān)效應(yīng)可以大幅度地提高壓力傳感器的靈敏度。

但如何提供一種具有高靈敏度的壓力傳感器是本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的的技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，提供一種基于具有尖錐結(jié)構(gòu)石墨烯的高靈敏度壓力傳感器，其在可穿戴電子器件如電子皮膚、柔性顯示和健康監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。

本發(fā)明的另一目的在于，提供一種組裝上述具有類似三文治結(jié)構(gòu)高靈敏度壓力傳感器的方法，通過調(diào)節(jié)石墨烯尖錐結(jié)構(gòu)高度、寬度和分布密度和絕緣多孔二維材料阻擋層的厚度以及孔徑，調(diào)控壓力傳感器的靈敏度和工作范圍等性能。

本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的。

依據(jù)本發(fā)明提出的一種基于具有尖錐結(jié)構(gòu)石墨烯的高靈敏度壓力傳感器，是帶有尖錐結(jié)構(gòu)的石墨烯和其他絕緣多孔二維材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)。石墨烯尖錐結(jié)構(gòu)的高度、寬度和分布密度都是均勻、可控的；絕緣多孔的二維材料的孔分布是均勻的，孔徑和孔深是可控的，通過電化學(xué)方法制備形成。

本發(fā)明的高靈敏度壓力傳感器，所述石墨烯尖錐結(jié)構(gòu)的高度為8-400nm。

本發(fā)明的高靈敏度壓力傳感器，所述絕緣多孔二維材料包括陽極氧化鋁，氧化鋅，二氧化鈦。

本發(fā)明的高靈敏度壓力傳感器，所述絕緣多孔二維材料的孔徑為50-300nm；厚度為100-400nm。

另外，本發(fā)明還提出了一種上述高靈敏度壓力傳感器的制備方法，其包括以下步驟：

1)將兩塊帶有尖錐結(jié)構(gòu)的石墨烯分別轉(zhuǎn)移到柔性透明基底上，并鍍電極；

2)將用聚甲基丙烯酸甲酯為支撐材料的絕緣多孔二維材料貼在其中一塊帶有尖錐結(jié)構(gòu)的石墨烯上后，在純丙酮中浸泡15分鐘，將pmma層去掉，在烘箱中烘干；

3)將另一塊帶有尖錐結(jié)構(gòu)的石墨烯面對(duì)面置于覆蓋了絕緣多孔二維材料的帶有尖錐結(jié)構(gòu)的石墨烯上，得到組裝好的高靈敏度壓力傳感器。

本發(fā)明的制備方法，步驟1)中，所述石墨烯尖錐結(jié)構(gòu)的高度為8-400nm；所述柔性透明基底包括pdms，pet，pva。

本發(fā)明的制備方法，步驟1)中，所述鍍電極的電極材料包括金，銀，銅。

本發(fā)明的制備方法，步驟2)中，所述絕緣多孔二維材料包括陽極氧化鋁(aao)，氧化鋅，二氧化鈦。

本發(fā)明的制備方法，步驟2)中，所述絕緣多孔二維材料的孔徑為50-300nm；厚度為100-400nm。

借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果如下：

1)石墨烯尖錐結(jié)構(gòu)的高度、寬度和分布密度都是均勻、可控的；

2)絕緣多孔二維材料阻擋層的孔分布是均勻的，厚度和孔徑是可控的；

3)通過改變石墨烯尖錐結(jié)構(gòu)的高度、寬度和分布密度，以及絕緣多孔二維材料阻擋層的厚度和孔徑，以調(diào)控該壓力傳感器的靈敏度和工作范圍；

4)方法簡單、可控操作性強(qiáng)，適于放大生產(chǎn)。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種基于具有尖錐結(jié)構(gòu)石墨烯的高靈敏度壓力傳感器，并提供了該結(jié)構(gòu)的簡便、快速、大規(guī)模制備的方法，其可用于柔性觸摸屏、電子皮膚以及健康監(jiān)測等領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是為基于帶有高度為80nm尖錐結(jié)構(gòu)的石墨烯和厚度為200nm、孔徑為80nm的aao的高靈敏度壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

1：柔性透明基底2：帶有尖錐結(jié)構(gòu)的石墨烯3：絕緣多孔二維材料4：電極

圖2a和2b分別為石墨烯尖錐結(jié)構(gòu)的afm三維照片和厚度為200nm、孔徑為80nm的aao的sem照片；

圖3是基于帶有高度為80nm尖錐結(jié)構(gòu)的石墨烯和厚度為200nm、孔徑為80nm的壓力傳感器對(duì)300pa和1kpa壓力的電流響應(yīng)序列；

圖4為基于帶有高度為80nm尖錐結(jié)構(gòu)的石墨烯和厚度為250nm、孔徑為85nm的aao的高靈敏度壓力傳感器的光學(xué)顯微鏡照片；

圖5是基于帶有高度為80nm尖錐結(jié)構(gòu)的石墨烯和厚度為250nm、孔徑為85nm的壓力傳感器對(duì)1.6kpa和2kpa壓力的電流響應(yīng)序列；

圖6為基于帶有高度為80nm尖錐結(jié)構(gòu)的石墨烯和厚度為300nm、孔徑為85nm的aao的高靈敏度壓力傳感器的光學(xué)顯微鏡照片；

圖7是基于帶有高度為80nm尖錐結(jié)構(gòu)的石墨烯和厚度為300nm、孔徑為85nm的壓力傳感器對(duì)4kpa壓力的電流響應(yīng)序列。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明是組裝具有類似三文治結(jié)構(gòu)的基于石墨烯尖錐結(jié)構(gòu)與其他絕緣多孔二維材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的高靈敏度壓力傳感器。石墨烯尖錐結(jié)構(gòu)的高度、寬度和分布密度都是均勻、可控的。絕緣多孔的二維材料的孔分布是均勻的，孔徑和孔深是可控的，通過電化學(xué)方法制備形成。兩層石墨烯的尖錐結(jié)構(gòu)穿過孔接觸形成導(dǎo)電通路產(chǎn)生電流響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的靈敏探測。

如圖1所示，本發(fā)明一種基于具有尖錐結(jié)構(gòu)石墨烯的高靈敏度壓力傳感器，是柔性透明基底1上表面帶有尖錐結(jié)構(gòu)的石墨烯2和其他絕緣且多孔二維材料3的復(fù)合結(jié)構(gòu)。首先將絕緣多孔的其他二維材料覆蓋于柔性透明基底1上帶有尖錐結(jié)構(gòu)的石墨烯2上并鍍電極4，然后將鍍電極4后的另一塊柔性透明基底1上帶有尖錐結(jié)構(gòu)的石墨烯2置于絕緣多孔的二維材料3之上，得到具有類似三文治結(jié)構(gòu)的壓力傳感器。石墨烯尖錐結(jié)構(gòu)的高度、寬度和分布密度都是均勻、可控的。絕緣多孔的二維材料的孔分布是均勻的，孔徑和孔深都是可控的。由于絕緣阻擋層的存在，使壓力傳感器在非受力狀態(tài)下不導(dǎo)通；而在受到壓力時(shí)，兩層石墨烯的尖錐結(jié)構(gòu)穿過孔接觸形成導(dǎo)電通路產(chǎn)生電流響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的靈敏探測。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種基于具有尖錐結(jié)構(gòu)石墨烯的高靈敏度壓力傳感器，并提供了其簡便、快速和大規(guī)模制備的方法，其可用于新型柔性電子器件如人工智能等領(lǐng)域。

以下通過具體較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不僅限于以下的實(shí)施例。

實(shí)施例1

一種基于具有尖錐結(jié)構(gòu)石墨烯的高靈敏度壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟：

1)將兩塊表面帶有高度約為80nm的尖錐結(jié)構(gòu)石墨烯轉(zhuǎn)移到柔性pdms基底上，再在石墨烯的一端用銀膠鍍上直徑為60μm的銀電極。

2)將帶有pmma支撐層的具有200nm厚和80nm孔徑的aao緊密貼在得到的其中一塊pdms基底上的帶有尖錐狀結(jié)構(gòu)的石墨烯上，再在純丙酮溶液中浸泡15min以去掉pmma層，得到在pdms基底上的帶有尖錐狀結(jié)構(gòu)的石墨烯和aao。

3)再將另一塊在pdms基底上的帶有尖錐狀結(jié)構(gòu)的石墨烯面對(duì)面置于aao上，得到高靈敏度壓力傳感器，在受到不同壓力的條件下，有不同的電流響應(yīng)。

圖1是為該工藝條件下制備的基于石墨烯尖錐結(jié)構(gòu)的高靈敏度壓力傳感器的結(jié)構(gòu)式示意圖。圖2a和2b分別為帶有尖錐狀結(jié)構(gòu)的石墨烯的afm和aao的sem照片?？梢杂^察到石墨烯尖錐結(jié)構(gòu)和aao的孔分布均勻。圖3是壓力傳感器對(duì)300pa和1kpa壓力的電流響應(yīng)序列。

由實(shí)施例1制備的壓力傳感器在受到300pa和1kpa的外力作用時(shí)，兩層石墨烯的尖錐結(jié)構(gòu)通過aao的孔接觸，形成通路，傳感器隨之產(chǎn)生相應(yīng)的電流響應(yīng)信號(hào)，如圖3所示。

實(shí)施例2

一種基于具有尖錐結(jié)構(gòu)石墨烯的高靈敏度壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟：

1)將兩塊表面帶有高度約為80nm的尖錐結(jié)構(gòu)石墨烯轉(zhuǎn)移到柔性pdms基底上，再在石墨烯的一端用銀膠鍍上直徑為60μm的銀電極。

2)將帶有pmma支撐層的具有250nm厚和85nm孔徑的aao緊密貼在得到的其中一塊pdms基底上的帶有尖錐狀結(jié)構(gòu)的石墨烯上，再在純丙酮溶液中浸泡15min以去掉pmma層，得到在pdms基底上的帶有尖錐狀結(jié)構(gòu)的石墨烯和aao。

3)再將另一塊在pdms基底上的帶有尖錐狀結(jié)構(gòu)的石墨烯面對(duì)面置于aao上，得到高靈敏度壓力傳感器，在受到不同壓力的條件下，有不同的電流響應(yīng)。

圖4為該工藝條件下制備的高靈敏度壓力傳感器的光學(xué)顯微鏡照片。圖5是壓力傳感器對(duì)1.6kpa和2kpa壓力的電流響應(yīng)序列。

由實(shí)施例2制備的壓力傳感器在受到1.6pa和2kpa的外力作用時(shí)，兩層石墨烯的尖錐結(jié)構(gòu)通過aao的孔接觸，形成通路，傳感器隨之產(chǎn)生相應(yīng)的電流響應(yīng)信號(hào)，如圖5所示。

實(shí)施例3

一種基于具有尖錐結(jié)構(gòu)石墨烯的高靈敏度壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟：

1)將兩塊表面帶有高度約為80nm的尖錐結(jié)構(gòu)石墨烯轉(zhuǎn)移到柔性pdms基底上，再在石墨烯的一端用銀膠鍍上直徑為60μm的銀電極。

2)將帶有pmma支撐層的具有300nm厚和85nm孔徑的aao緊密貼在得到的其中一塊pdms基底上的帶有尖錐狀結(jié)構(gòu)的石墨烯上，再在純丙酮溶液中浸泡15min以去掉pmma層，得到在pdms基底上的帶有尖錐狀結(jié)構(gòu)的石墨烯和aao。

3)再將另一塊在pdms基底上的帶有尖錐狀結(jié)構(gòu)的石墨烯面對(duì)面置于aao上，得到高靈敏度壓力傳感器，在受到不同壓力的條件下，有不同的電流響應(yīng)。

圖6是為該工藝條件下制備的高靈敏度壓力傳感器的光學(xué)顯微鏡照片。圖7是壓力傳感器對(duì)4kpa壓力的電流響應(yīng)序列。

由實(shí)施例3制備的壓力傳感器在受到4kpa的外力作用時(shí)，兩層石墨烯的尖錐結(jié)構(gòu)通過aao的孔接觸，形成通路，傳感器隨之產(chǎn)生相應(yīng)的電流響應(yīng)信號(hào)，如圖7所示。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，故凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾,均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。