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背景介紹

激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）采用自下而上的方法，通過激光照射將碳前驅(qū)體直接轉(zhuǎn)化為多孔的三維石墨烯。LIG作為一種宏觀尺度、低成本的導(dǎo)電材料，具有巨大的潛力，既可拉伸又可彎曲。由于LIG可以用作活性傳感材料，因此進一步提高性能對于解鎖利用尖端技術(shù)的先進應(yīng)用至關(guān)重要。自2014年發(fā)現(xiàn)以來，在開發(fā)基于LIG的可彎曲和可拉伸應(yīng)變傳感器方面取得了巨大進展。根據(jù)應(yīng)用技術(shù)或使用的材料，報告的研究可分為四個主要領(lǐng)域。這些類別包括（i）LIG復(fù)合材料——LIG與MoS₂、HfSe₂、黑磷和MXene-Ti₃C₂T_x@EDOT；（ii）轉(zhuǎn)移方法——低溫轉(zhuǎn)移等技術(shù)可增強水凝膠和LIG之間的機械結(jié)合，LIG的水剝離轉(zhuǎn)移可增強電導(dǎo)率；（iii）LIG上波形的形成和（iv）LIG結(jié)晶度的提高——LIG的閃光愈合和激光紋理化工藝。盡管生產(chǎn)LIG的方法多種多樣，但現(xiàn)有的基于LIG的可拉伸傳感器對人體皮膚的敏感性相對較低，在10%應(yīng)變下的平均應(yīng)變系數(shù)（GF）為182.3±93.7。與關(guān)節(jié)周圍皮膚拉伸的應(yīng)變值相比，這種敏感性限制變得明顯，肘部彎曲15°時約為10%，手腕彎曲約為2%。因此，增加GF對于實現(xiàn)精確的皮膚拉伸測量至關(guān)重要，這將有助于推進基于LIG的可穿戴設(shè)備的發(fā)展。

本文亮點

1. 本工作證明了通過使用ZnO納米粒子（NP）輔助光熱增強制造LIG，可以顯著提高靈敏度。

2. 通過將PI上形成的LIG轉(zhuǎn)移到聚二甲基硅氧烷上，制造了一種具有超高靈敏度的可拉伸應(yīng)變傳感器，在10%應(yīng)變下的應(yīng)變系數(shù)為1214，比沒有ZnO NP的應(yīng)變系數(shù)高出約60倍。

3. 利用LIG的選擇性石墨化特性，展示了一種配備柔性應(yīng)變和紫外線（UV）傳感器的柔性雙面集成傳感器片。該表能夠同時監(jiān)測運動可穿戴設(shè)備的紫外線強度和關(guān)節(jié)彎曲角度。

4. 我們將開發(fā)的傳感器連接到跑步者的身體上，以監(jiān)測和模擬前腳和腳跟的撞擊，從而驗證了該傳感器的超高靈敏度和長期穩(wěn)定性，而不需要相機。

圖文解析

圖1. 選擇性轉(zhuǎn)換ZnO納米粒子（NP）輔助激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）。（a）通過波長為10.6μm的CO2激光照射制備選擇性ZnO NP輔助LIG的工藝。（b） LIG的示意圖和照片被選擇性地轉(zhuǎn)化為大學(xué)標志圖案形狀。經(jīng)北海道大學(xué)2024許可轉(zhuǎn)載。（c） ZnO NP輔助選擇性圖案化LIG的光學(xué)圖像。（d）有和沒有ZnO NP的LIG的拉曼光譜。（e）能量色散X射線光譜圖圖像顯示了選擇性轉(zhuǎn)換LIG中的碳、氧和鋅分布；比例尺，50 μm。（f）在不同的ZnO NP直徑和不同的旋涂速度（即ZnO NP厚度）下，將每個樣品轉(zhuǎn)化為LIG所需的臨界通量（?crit）。（g） ?涂有各種平均直徑（25和200 nm）的ZnO NP且不含ZnO的PI轉(zhuǎn)化為LIG所需的臨界值；?crit繪制在左側(cè)y軸上，ZnO厚度繪制在右側(cè)y軸上。（h）紅外攝像頭圖像。（i）溫度隨時間變化，用50 mW激光照射到基板上的單個點上，在聚酰亞胺（PI）上以500 rpm涂覆和不涂覆ZnO NP（平均直徑25 nm）。

圖2. 紫外線（UV）和彎曲應(yīng)變傳感器。（a）單面UV傳感器（傳感器1）和另一側(cè)彎曲應(yīng)變傳感器（傳感器2）的雙面?zhèn)鞲衅鞯闹圃旃に嚒＃╞） ZnO納米粒子（NP）紫外光電探測器的光學(xué)顯微鏡圖像。（c）在黑暗條件下和1000 μW/cm²紫外線照射下記錄的電流-電壓曲線。（d） ZnO NP光電探測器在+10 V偏壓下1000 μW/cm²紫外輻照度下的實時光響應(yīng)。（e）傳感器在不同紫外線強度下的響應(yīng)。（f）彎曲應(yīng)變傳感器LIG形成過程中50、100和200 μm激光掃描間隔的光學(xué)顯微鏡圖像。（g）在有和沒有ZnO NP的情況下，以及在不同激光掃描間隔下，應(yīng)變下電阻變化率（ΔR/R0）值的比較；粗線表示彎曲值，細線表示釋放值。（h）連續(xù)應(yīng)變作用下的實時響應(yīng)。（i）應(yīng)變傳感器在0.32%應(yīng)變范圍內(nèi)進行了2000多次循環(huán)的長期循環(huán)測試。插圖突出顯示了傳感器在測量開始和結(jié)束時的響應(yīng)。（j）本研究與先前研究中報告的傳感器之間的靈敏度和應(yīng)變范圍的比較。

圖3. 可拉伸激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）應(yīng)變傳感器。（a）可拉伸LIG應(yīng)變傳感器的制造工藝。（b）剝離嵌入LIG層的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜的照片。（c）LIG-PDMS和聚酰亞胺（PI）薄膜上殘留LIG的拉曼光譜，有和沒有ZnO納米粒子（NP）。（d）在有和沒有ZnO NP的情況下轉(zhuǎn)移到PDMS的LIG結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖像。（e） LIG可拉伸染色傳感器。（f）電阻變化率（ΔR/R0）是有和沒有ZnO NP和不同方向的傳感器施加應(yīng)變的函數(shù)：沿激光掃描方向在垂直和平行應(yīng)變方向上涂覆ZnO NP的PI薄膜，在垂直方向上沒有ZnO NP的LIG。（g）不同菌株應(yīng)用下的實時監(jiān)測。（h）在各種循環(huán)應(yīng)變的應(yīng)用下進行實時監(jiān)測。（i）本研究和現(xiàn)有研究對可拉伸應(yīng)變傳感器的測量因子和應(yīng)用應(yīng)變進行了基準比較。（j）在4%應(yīng)變下進行長達2000次循環(huán)的長期循環(huán)試驗。插圖突出顯示了傳感器在測量開始和結(jié)束時的響應(yīng)。（k）可拉伸應(yīng)變傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)時間。

圖4. 雙面集成紫外線（UV）和彎曲應(yīng)變傳感器。（a）電阻變化率（ΔR/R0）是使用彎曲應(yīng)變傳感器測量的壓縮彎曲應(yīng)變的函數(shù)。（b） ΔR/R0是使用紫外光電探測器測量的各種紫外強度下應(yīng)變的函數(shù)。（c）在+10V偏壓下，傳感器在不同紫外線強度下的紫外線響應(yīng)。（d）雙面集成傳感器的照片；一側(cè)的UV傳感器和另一側(cè)的彎曲應(yīng)變傳感器。（e）雙面?zhèn)鞲衅髌谧贤饩€和彎曲應(yīng)變應(yīng)用下的電阻實時變化，并對紫外線響應(yīng)進行數(shù)據(jù)補償。

圖5. 跑步姿勢監(jiān)測。（a）腳上傳感器的照片。（b）兩種跑步姿勢的照片：前腳觸地和腳跟觸地。三個傳感器在（c）前腳觸地跑和（d）腳跟觸地跑過程中的實時阻力變化率。基于跑步過程中（e）前腳觸地和（f）腳跟觸地三個傳感器實時數(shù)據(jù)的動畫。

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來源：柔性傳感及器件

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原文標題：北海道大學(xué)：基于ZnO納米粒子激光誘導(dǎo)石墨烯的超靈敏可拉伸應(yīng)變傳感器

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