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1 μm!飛秒激光誘導(dǎo)MXene復(fù)合石墨烯
- 分類:新聞資訊
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- 來源:
- 發(fā)布時間:2024-08-09
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【概要描述】 基于激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)的柔性傳感器廣泛應(yīng)用于可穿戴個人設(shè)備,LIG的形貌和晶格排列是影響其在各種應(yīng)用中性能的關(guān)鍵因素。北京信息技術(shù)大學(xué)尤睿、梁密生及華中科技大學(xué)王博等人利用飛秒激光誘導(dǎo)的MXene復(fù)合石墨烯(LIMG)用于通過將具有高自由電子濃度的2D材料MXene摻入LIG結(jié)構(gòu)中來提高石墨烯的電導(dǎo)率。
1 μm!飛秒激光誘導(dǎo)MXene復(fù)合石墨烯
【概要描述】 基于激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)的柔性傳感器廣泛應(yīng)用于可穿戴個人設(shè)備,LIG的形貌和晶格排列是影響其在各種應(yīng)用中性能的關(guān)鍵因素。北京信息技術(shù)大學(xué)尤睿、梁密生及華中科技大學(xué)王博等人利用飛秒激光誘導(dǎo)的MXene復(fù)合石墨烯(LIMG)用于通過將具有高自由電子濃度的2D材料MXene摻入LIG結(jié)構(gòu)中來提高石墨烯的電導(dǎo)率。
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相關(guān)研究成果以“High-Performance Sensing Platform Based on Morphology/Lattice Collaborative Control of Femtosecond-Laser-Induced MXene-Composited Graphene”為題發(fā)表于《Advanced Science》。
可穿戴傳感器是一種小型設(shè)備,通常佩戴在皮膚附近或直接貼在皮膚上,用于監(jiān)測和收集人體生理和生化參數(shù)的實(shí)時數(shù)據(jù),在遠(yuǎn)程健康監(jiān)測、身體活動跟蹤、人機(jī)交互和實(shí)時生理信號監(jiān)測方面具有巨大潛力。多功能、高性能的柔性可穿戴傳感器的發(fā)展增加了對敏感材料的需求。在涉及監(jiān)測多種生理信號的場景中,對物理變化(如壓力和應(yīng)變)和生化信號(如疾病標(biāo)志物和蛋白質(zhì)分子)都敏感非常重要。響應(yīng)物理刺激需要改變材料的微觀形貌和孔隙率。響應(yīng)生化信號需要改善材料的電性能并集成特定的敏感物質(zhì)。因此,對敏感單元形貌及其電性能的協(xié)同調(diào)控和優(yōu)化對于多功能可穿戴傳感器具有重要意義。
近年來,激光誘導(dǎo)石墨烯(LIG)因其快速圖案化、無掩模制造、原位合成和石墨烯基材料的經(jīng)濟(jì)高效生產(chǎn)而被廣泛應(yīng)用于柔性傳感器。因此,LIG顯示出巨大的前景,特別是在多信號傳感方面。LIG的3D多孔結(jié)構(gòu)為化學(xué)反應(yīng)和物理相互作用提供了大量的表面位點(diǎn)。此外,LIG與電解質(zhì)、代謝物、激素和其他化學(xué)標(biāo)記物相互作用會觸發(fā)電位、電流和電阻率的變化,從而能夠基于這些改變對分析物進(jìn)行檢測和分析。特別是,可以通過調(diào)節(jié)激光加工條件來控制LIG的表面形貌、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和孔隙率,為調(diào)節(jié)基于LIG的敏感單元的微形貌和電性能提供了一種直接可行的方法。
LIG用于各種傳感器,包括電化學(xué)傳感器和壓力傳感器。然而,由于LIG的晶格不規(guī)則和層間結(jié)構(gòu)不連續(xù),其電導(dǎo)率和載流子遷移率仍需改進(jìn)。研究人員嘗試了各種策略,例如旋涂高導(dǎo)電性的MXene和銀納米線、電沉積納米顆粒以及激光誘導(dǎo)金屬前體溶液的二次還原,以制備復(fù)合LIG。然而,這些摻雜方法作為二次生產(chǎn)工藝,僅將摻雜材料沉積在LIG表面,并未穿透晶格,而且LIG的結(jié)合相對不穩(wěn)定,為材料制備過程帶來了額外的不確定性。之前的LIG生產(chǎn)方法涉及長脈沖或連續(xù)激光輻照,由于聚合物薄膜在熱效應(yīng)下高度不穩(wěn)定,限制了微觀形貌和圖案分辨率的可控性。
飛秒激光誘導(dǎo)的MXene復(fù)合石墨烯(LIMG)的制造和表征
在本研究中,將MXene摻入聚酰亞胺前體溶液中,得到MXene混合聚酰亞胺薄膜。利用飛秒激光直寫工藝,制備了嵌入MXene晶格的多孔石墨烯。利用飛秒激光的低熱影響,成功通過在聚合物薄膜上直接激光寫入制備了最小線寬為1 µm的飛秒激光誘導(dǎo)MXene復(fù)合石墨烯(LIMG)。這種獨(dú)特的前體摻雜技術(shù)使MXene能夠在LIG的晶格內(nèi)均勻摻雜,為載流子在缺陷密布的LIG晶格中的傳輸創(chuàng)造了穩(wěn)定的環(huán)境。與原始LIG相比,LIMG顯示出增強(qiáng)的載流子遷移率和顯著改善的電導(dǎo)率,提高了兩個數(shù)量級,達(dá)到3187 Sm−1。
此外,還使用泵浦探測和LIBS技術(shù)研究了飛秒激光對LIMG微形貌的影響和控制。通過晶格摻雜和微觀形貌的協(xié)同優(yōu)化,建立了具有出色電化學(xué)、壓力和應(yīng)變傳感能力的LIMG材料平臺。成功開發(fā)了一種用于檢測尿酸的高靈敏度電化學(xué)傳感器,其最低檢測限為2.48 µM。壓力傳感器具有寬檢測范圍(0-200 kPa)、高靈敏度(0.15 kPa−1)和良好的耐用性(能夠承受1000次循環(huán)測試),而彎曲傳感器則表現(xiàn)出最佳檢測范圍和超過1000次循環(huán)的耐用性。這些傳感器可以監(jiān)測各種生理信號,例如語音、脈搏、手指運(yùn)動和膝關(guān)節(jié)運(yùn)動,使其有望用于人體健康監(jiān)測和人機(jī)交互應(yīng)用。
信息來源:Carbontech
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