高义华教授团队：制备出一种高灵敏柔性压阻传感器

【成果简介】

Nature Communications在线刊发了物理学院和光电国家实验室双聘教授高义华博士团队的最新研究成果:基于层间距离极大可调的二维过渡金属碳化物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）。博士生马亚楠、青年教师刘逆霜博士、李露颖博士为论文共同第一作者。

【图文导读】

图1 MXene材料用于压阻式传感器的工作微观机制

a）两个相邻中间层之间的距离

b）基于MXene的压阻式传感器的等效电路图

图2 4×4 MXene的传感器阵列

a）基于4×4 MXene的传感器像素阵列

b）手表放置在传感器阵列上

c）记录和测量每个像素的相应输出

【研究内容】

2011年，美国材料科学家Yury Gogotsi教授带领的课题组通过化学刻蚀法制备出一种具有手风琴状的二维过渡金属碳化物层状材料（简称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、电磁场屏蔽和海水淡化等领域展现出较好的应用前景。MXene具有大的纳米量级(10-9m)层间距，是一般埃量级(10-10m)层间距的几倍到十倍。在微力作用下，这种大的层间距会产生相应的变化，这种特性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。

高义华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了一类MXene材料（Ti3C2），用聚焦离子束(FIB)电镜进一步加工制备出测试样品。同时，与武汉大学王建波教授等人合作，进行力作用下的原位透射电子显微镜观察从而证实了大的层间距变化。这种压力作用下MXene的层间距离减小，促使相应导电通路的产生和电流的增加，电阻减小；当撤去外力后，层间距恢复，导电能力恢复至原始状态。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，表明其具有优良的可重复性。该团队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（<30ms），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。

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。该研究工作得到了国家自然科学基金等项目的资助。

原文链接：http://news.hust.edu.cn/2017/1108/c155a88521/page.htm

文献链接：A highly flexible and sensitive piezoresistive sensor based on MXene with greatly changed interlayer distances（Nat.Commun.,2017,DOI:10.1038/s41467-017-01136-9）

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