AgNW/Ti3C2TxMXene基透明超灵敏可穿戴传感器的制备及性能研究

来源 :兰州大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:fanny_lizzy
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近年来,可穿戴传感器由于对人体信号侦测的实时性和便携性吸引了越来越多的科研工作者的关注。将可穿戴传感器附着在人体表面,可实现对人体一些重要体征的测量,实时掌握使用者的健康状况,还可对日常运动进行侦测和记录。此外,可穿戴传感器还可用于人机互动、虚拟现实、柔性显示等领域,具有广泛的应用前景。常规可穿戴传感器具有较低的灵敏度和不透明等问题,限制了它的使用领域,但是制备出同时具有高透光率和高灵敏度的可穿戴传感器仍然是一个挑战。本论文中通过使用银纳米线(AgNW)和Ti3C2Tx MXene制备出具有高透光率和高灵敏度的可穿戴传感器,用于侦测人体的日常活动以及生理信号。选择AgNW和Ti3C2Tx MXene作为传感材料基于两方面的原因:第一,AgNW具有较高的长径比、高电导率、较低的渗流阈值,和良好的柔韧性,适合作为透明可穿戴传感器的导电材料;第二,Ti3C2Tx MXene作为一种新兴的二维导电材料,具有较高的电导率,单层T i3C2Tx MXene具有很高的透光度。将两种高透光率、高电导率的导电材料复合,制备出具有独特微结构的导电网络,有效降低传感材料层的厚度,提高可穿戴传感器的透光率及灵敏度。本论文主要包括以下两方面的内容:(1)将AgNW旋涂沉积在PDMS薄膜表面,再使用PDMS对导电网络进行封装,由于PDMS薄膜具有较高的透光率和良好的生物相容性,使得制成的可穿戴传感器整体呈现出较高的透光率,贴附在人体皮肤表面不会引起不良反应。而且三明治结构包裹AgNW导电层也可以有效保护导电网络,提高其稳定性,使其免受汗液或者其他因素的影响。并且通过调节AgNW旋涂次数可以有效调节传感器的透光率以及灵敏度。当AgNW旋涂次数为6次时,可穿戴传感器具有72.2%透光率,且最大可拉伸至147%而不发生断路,施加15%的应变时,电阻增加5.17倍,电阻变化非常明显。(2)通过旋涂和喷涂相结合的方式,将AgNW和Ti3C2Tx MXene沉积在PDMS薄膜表面。再将PDMS旋涂在导电网络表面并固化,对导电网络进行封装,避免导电网络受到水或空气氧化,并且三明治结构也有利于提高可穿戴传感器的稳定性。通过调节Ti3C2Tx MXene的喷涂时长可以有效调节传感器的灵敏度以及可拉伸范围,使传感器的适用范围更广。制备的AgNW/Ti3C2Tx MXene基可穿戴传感器具有89%透光率,可测量极小应变,在0.025%应变下电阻可增加2.2%,在1%应变下电阻增加了198%,说明传感器灵敏度非常高。AgNW/Ti3C2Tx MXene基可穿戴传感器具有较高的响应速率,响应时间为54 ms,快速响应能力有利于将可穿戴传感器应用在实时侦测领域。高透光率、高灵敏度以及可调的拉伸范围使AgNW/Ti3C2Tx MXene基传感器在可穿戴电子设备以及柔性显示领域具有较大的发展潜力。
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