兰州化物所：柔性纸基集成器件研究取得新进展

【成果简介】

兰州化物所研究人员将MSC和紫外传感器或者气体传感器集成到了同一单片纸上，集成器件显示出了良好的传感特性和自供电特性。这种基于纸质基底的集成策略为便携式和可穿戴电子开拓了一种新的设计方法。相关研究工作近期以“In-Plane Micro-Supercapacitors for an Integrated Device on One Piece of Paper”为题在线发表在 Adv. Funct. Mater. 上，工作得到了国家自然科学基金和研究所“一三五”重点培育项目的资助和支持。 

【图文导读】

图1 纸基自供电传感器的实物图

图2 可持续自供电的集成设备

a，串联AMSC桥接太阳能电池和气体传感器的示意图，用于存储太阳能并为传感器提供能量；

b，PANI纳米棒的SEM图像；

c，商业太阳能电池充电的串联AMSC的充电曲线和串联AMSC在电流密度为0.1mA cm^-2时的放电曲线；

d，当交替输入气态NH 3和HCl时，由串联AMSC驱动的基于PANI的气体传感器的响应和恢复曲线。

【研究内容】

柔性传感器由于能被穿戴或植入人体并能检测周围环境信息而在医疗健康领域引起了广泛的关注。然而，作为用电器件的传感器自身并不能独立工作，而需要电源为其供电。平面型微型超级电容器（MSC）作为一种新型的微型电化学储能器件能够容易地与传感器及其它电子器件进行有效集成。一般的方法是将传感器与电源通过外接导线连接，但这在柔性可穿戴技术中会引起极大的不便。所以当前的挑战是如何将柔性和无线电源与传感器集成到同一芯片。 

纸质材料成本低、可即用即弃，并且具有多孔和粗糙的纤维结构从而可以增强其与电子器件的结合力。遗憾的是，由于纤维素孔隙引起的毛细作用使得通过印刷技术印刷的墨水材料会在纸基表面扩散，导致形成的图案质量较差。中国科学院兰州化学物理研究所清洁能源化学与材料实验室阎兴斌研究员团队通过丝网印刷技术在滤纸表面形成了金属Ni叉指化集流体，并结合后续的电镀技术增强了集流体的导电性，同时抑制了金属Ni在纸基表面的扩散，形成了分辨率较高的图案化集流体。进而在Ni表面通过电化学沉积MnO₂或者聚吡咯（PPy）活性材料，并滴凃凝胶电解质，形成了基于MnO₂的对称性超级电容器以及基于MnO₂和PPy的非对称超级电容器。经过测试，表明该纸基超级电容器具有较好的电化学特性和很强的耐机械形变特性（弯折1万次后容量几乎没有衰退），其能量密度和功率密度皆位于同类型超级电容器的前列。 

基于在纸面印刷的金属集成电路，研究者们将MSC和紫外传感器或者气体传感器集成到了同一单片纸上，集成器件显示出了良好的传感特性和自供电特性。未来有望将能量采集、能量存储和用电器件集成到同一纸基芯片。

原文链接：http://www.licp.cas.cn/xwzx/kydt/201709/t20170919_4861966.html。

文献链接：In-Plane Micro-Supercapacitors for an Integrated Device on One Piece of Paper(Adv. Funct. Mater. 2017, DOI:10.1002/adfm.201702394)

本文由材料人编辑部王冰编辑，点我加入材料人编辑部。

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