清华大学张莹莹AM: 一篇综述带你领略柔性可穿戴电子器件中碳材料的风采

【引言】

柔性和可穿戴电子产品因其在人体健康监测和智能医疗系统中具有潜在的应用而备受关注。碳材料因具有良好的导电性、本征或结构柔性、质轻、高稳定性、易于化学修饰以及规模生产等优点，而成为应用于柔性可穿戴电子器件的明星材料。因此，致力于制备具有合理设计结构的碳材料的研究，将极大地助力下一代电子器件的发展。

【成果简介】

近日，清华大学张莹莹老师（通讯作者）等人在材料领域顶刊Advanced Materials上发表了题为“Advanced Carbon for Flexible and Wearable Electronics”的综述。其详细地回顾了碳材料在柔性可穿戴电子器件中的合理设计和可控制备方面的最新进展，介绍了用于高性能柔性电子器件的具有可控微/纳结构的各种碳材料（碳纳米管、石墨烯、天然生物质基碳等）的设计制备。同时回顾和讨论了碳基柔性器件的制备策略、工作机理、性能和应用，包括应变/压力传感器、温度/湿度传感器、电化学传感器、柔性导电电极/电线和柔性电源系统。此外，对多功能器件的集成也进行了简要的讨论，并总结了目前该领域存在的现有挑战和未来机遇。文章第一作者为清华大学王春雅博士。

从左往右依次为王春雅、夏凯伦和张莹莹老师。

【图文导读】

（一）碳材料在柔性可穿戴应变/压力传感器的应用

图1. 基于碳材料的柔性可穿戴应变传感器的制备、原理与性能

碳纳米管和石墨烯在可穿戴应变传感器中的应用（左），其他碳材料在可穿戴式应变传感器中的应用（右）。

图2. 基于碳材料的可穿戴压力传感器的设计、制备及性能

碳材料在柔性压力传感器中的应用。

图3. 柔性可穿戴应变/压力传感器的应用展示

基于碳材料的柔性可穿戴应变/压力传感器在人类活动监测、电子皮肤和人机交互中的应用。

（二）碳材料在柔性可穿戴温/湿度传感器的应用

图4. 基于碳材料的柔性温度传感器的设计、制备及性能

图5. 基于碳材料的柔性湿度传感器的设计、制备及性能

碳材料在柔性湿度传感器中的应用。

（三）碳材料在柔性可穿戴电化学传感器的应用

图6. 基于碳材料的柔性电化学传感器的设计及性能

基于碳材料的柔性可穿戴电化学传感器，用于健康相关的化学组分的无创监测。

图7. 基于碳材料的可拉伸/自愈合柔性电化学传感器的设计

碳材料在可拉伸/自愈合电化学传感器中的应用。

（四）基于碳材料的柔性导电电极/导线，用于可穿戴医疗系统

图8.碳纳米管基柔性导电电极用于电生理信号检测

图9. 石墨烯基柔性导电电极用于电生理信号检测

图10. 碳材料在柔性导线中的应用

（四）碳材料在柔性能源器件中的应用

图11. 碳材料基柔性超级电容器的设计、制备

碳纳米管（左）、石墨烯（中）、生物质基碳材料（右）在柔性超级电容器中的应用。

图12. 碳材料在柔性金属-空气电池中的应用设计

碳材料在柔性三明治结构锌-空气电池中的应用（左），碳材料在柔性纤维/电缆状锌-空气电池中的应用（右）。 

（五）多功能可穿戴系统的集成

图13. 不同功能的柔性可穿戴生理信号传感器的集成

多功能集成式生理传感器。

图14. 柔性可穿戴生理信号传感器和电化学传感器的集成

图15. 自供电可穿戴系统：柔性可穿戴传感器件与柔性能源器件的集成

【小结】

该综述总结了应用于高性能柔性可穿戴电子器件的各种碳材料的结构设计和可控制备方面的最新进展。由于碳材料独特的优势（例如良好的导电性、高化学和热稳定性、可设计成各种柔性宏观形态、以及易于化学功能化），碳纳米管、石墨烯和其他碳材料已被广泛研究应用于柔性电子器件。除了贴于人体皮肤或集成到衣物的柔性可穿戴电子器件外，将功能性碳材料与生物相容性材料的结合，以探索其在可植入式柔性电子器件中的应用，或将成为碳材料在柔性电子领域另一重要的应用研究方向。作者相信，应用于构筑柔性电子器件的先进碳材料的设计、制备和相应加工技术的开发将会极大地促进下一代智能医疗系统的发展。

【团队介绍】

张莹莹课题组隶属于清华大学化学系，兼属清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心。主要围绕纳米碳材料和丝蛋白材料的制备科学、物理与化学性能开展研究，重点发展面向柔性可穿戴系统的新型电子材料与器件。

课题组主页：http://www.yyzhanggroup.com

团队在该领域工作汇总：

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• Qi Wang, Muqiang Jian, Chunya Wang, Yingying Zhang*. Carbonized silk nanofiber membrane for transparent and sensitive electronic skin. Advanced Functional Materials. 2017, 27,1605657.
• Muqiang Jian, Kailun Xia, Qi Wang, Zhe Yin, Huimin Wang, Chunya Wang, Huanhuan Xie, Mingchao Zhang, and Yingying Zhang*. Flexible and Highly Sensitive Pressure Sensors Based on Bionic Hierarchical Structures. Advanced Functional Materials. 2017, 27,1606066.
• Mingchao Zhang, Chunya Wang, Huimin Wang, Muqiang Jian, Xiangyang Hao*, Yingying Zhang*. Carbonized Cotton Fabric for High Performance Wearable Strain Sensors. Advanced Functional Materials 2017, 27, 1604795.
• Mingchao Zhang, Chunya Wang; Xiaoping Liang, Zhe Yin, Kailun Xia, Huimin Wang, Muqiang Jian, Yingying Zhang*. Weft-knitted fabric for highly-stretchable and low-voltage wearable heater. Advanced Electronic Materials 2017, 3(9), 1700193 (Inside Front Cover)
• Mingchao Zhang, Ke Chen, Chunya Wang, Muqiang Jian, Zhe Yin, Zhenglian Liu, Guo Hong, Zhongfan Liu, Yingying Zhang*.Mineral-templated 3D graphene architectures for energy-efficient electrodes.  2018, 14, 1801009.
• C. Zhang, C. Y. Wang, Q. Wang, M. Q. Jian, Y. Y. Zhang*. Sheath-Core Graphite/Silk Fiber Made by Dry-Meyer-Rod-Coating for Wearable Strain Sensors. ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 20894−20899.
• Zhe Yin, Muqiang Jian, Chunya Wang, Kailun Xia, Zhehong Liu, Qi Wang, Mingchao Zhang, Huimin Wang, Xiaoping Liang, Xiao Liang, Youwen Long, Xiaohui Yu, Yingying Zhang*.Splash-Resistant and Light-Weight Silk-Sheathed Wires for Textile Electronics. Nano Lett. 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03085.
• Chunya Wang, Kailun Xia, Muqiang Jian, Huimin Wang, Mingchao Zhang, Yingying Zhang*. Carbonized silk georgette as ultrasensitive wearable strain sensor for full-range human activity monitoring. Journal of Materials Chemistry C 2017, 5, 7604 – 761
• Chunya Wang, Mingchao Zhang, Kailun Xia, Xueqin Gong, Huimin Wang, Zhe Yin, Baolu Guan, and Yingying Zhang. Intrinsically Stretchable and Conductive Textile by a Scalable Process for Elastic Wearable Electronics. ACS Appl. Mater. Interfaces2017, 9 (15), 13331–13338.
• Huimin Wang, Chunya Wang, Muqiang Jian, Qi Wang, Kailun Xia, Zhe Yin, Mingchao Zhang, Xiaoping Liang, Yingying Zhang*. Superelastic Wire-shaped Supercapacitor Sustaining 850% Tensile Strain Based on Carbon Nanotube@Graphene Fiber. Nano Research 11(5), 2347-2356. (Cover)
• Kailun Xia, Chunya Wang, Muqiang Jian, Qi Wang, and Yingying Zhang*. CVD growth of fingerprint-like patterned 3D graphene film for an ultrasensitive pressure sensor. Nano Research 2018,11(2):1124-1134.
• Chunya Wang, Kailun Xia, Mingchao Zhang, Muqiang Jian, and Yingying Zhang*. An All Silk-Derived Dual-Mode E-skin for Simultaneous Temperature-Pressure Detection. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017, 9 (45), pp 39484–39492
• Muqiang Jian, Chunya Wang, Qi Wang, Huimin  Wang, Kailun, Zhe Yin, Mingchao Zhang, Xiaoping Liang, Yingying Zhang.* Advanced carbon materials for flexible and wearable sensors. SCIENCE CHINA Materials. 2017, 60(11): 1026.

文献链接：Advanced Carbon for Flexible and Wearable Electronics (Advanced Materials 2018, DOI: 10.1002/adma.201801072)

本文由材料人计算材料组Annay供稿，材料牛整理编辑。

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