7月24日微納電子系任天令教授團(tuán)隊(duì)在納米領(lǐng)域著名期刊《美國化學(xué)學(xué)會(huì)納米》(ACS Nano)上發(fā)表了題為《多層石墨烯表皮電子皮膚》(“Multilayer Graphene Epidermal Electronic Skin”)的研究論文。該器件實(shí)現(xiàn)了可定制的石墨烯電子紋身,具有極高的靈敏度,可以直接貼覆在皮膚上用于探測呼吸、心率、發(fā)聲等多重功能,未來在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、睡眠監(jiān)測、生物醫(yī)療等方面具有重大應(yīng)用前景。
圖1. 貼覆于人體與物體表面的定制化石墨烯紋身
電子皮膚是一種重要的生物醫(yī)學(xué)傳感器,要求器件擁有好的柔韌性和可伸縮性、高靈敏度、好的貼合度和舒適度。石墨烯由于其出色的導(dǎo)電性和柔韌性,是電子皮膚的理想材料。但是將石墨烯更加舒適、美觀、穩(wěn)定、可靠地貼合在皮膚表面,從而采集各種生理信號(hào)仍然是一個(gè)亟待解決的問題。
任天令教授團(tuán)隊(duì)基于激光還原石墨烯,將石墨烯與紋身相結(jié)合,模仿了電子皮膚的功能。可以通過電阻變化對(duì)皮膚表面的微小形變進(jìn)行監(jiān)測。在圖形化的過程中,團(tuán)隊(duì)在國際上首創(chuàng)了濕法剝離氧化石墨烯的新工藝,去除石墨烯氧化物,只留存石墨烯,使得器件更加美觀,靈敏度更高,耐受更高的溫度。該項(xiàng)技術(shù)采用水轉(zhuǎn)工藝,襯底超薄,沒有穿戴不適感。此外,由于激光直寫可編程的優(yōu)勢(shì),石墨烯的圖案可以進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。除了測量皮膚表面的拉伸與壓縮,這種石墨烯的紋身還可以利用犧牲層工藝轉(zhuǎn)移到多種襯底上,例如樹葉,絲綢等等。通過貼附在口罩、手腕、喉嚨、人中等多個(gè)位置分別實(shí)現(xiàn)對(duì)呼吸,心跳,語音等人體信號(hào)的測量。測試者佩戴時(shí)并不會(huì)影響正常活動(dòng)。器件在睡眠呼吸、語音等多方面的應(yīng)用潛力,未來如果普及可以讓人們隨時(shí)隨地了解自己身體狀況。
圖2. 剝離工藝可以大幅度提高傳感器靈敏度以便于測量各種生理學(xué)信號(hào)
通過對(duì)于激光直寫石墨烯圍觀紋路的觀察與分析,任天令教授團(tuán)隊(duì)建立了以石墨烯條帶為基元的裂痕理論模型,較好地模擬了應(yīng)力引起的阻值變化過程。近年來,任天令教授致力于石墨烯器件的基礎(chǔ)研究和實(shí)用化應(yīng)用的探索,尤其關(guān)注研究突破傳統(tǒng)器件限制的新型微納電子器件,在新型石墨烯聲學(xué)器件和各類傳感器件方面已獲得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果,如柔性石墨烯發(fā)聲器件、新型石墨烯阻變存儲(chǔ)器、光譜可調(diào)的石墨烯發(fā)光器件、石墨烯仿生突觸器件、可調(diào)石墨烯應(yīng)力傳感器、仿生石墨烯壓力傳感器、極低功耗石墨烯鈣鈦礦阻變存儲(chǔ)器等相關(guān)成果,有多篇論文發(fā)表于《自然通訊》(Nature Communications)《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)《納米快報(bào)》(Nano Letters)《美國化學(xué)學(xué)會(huì)納米》(ACS Nano)等國際著名期刊。
微納電子系博士生喬彥聰等為文章的共同第一作者,微納電子系任天令教授及其團(tuán)隊(duì)教師是論文的通訊作者,該研究成果得到了國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目和科技部項(xiàng)目的支持。
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