Nano Lett.: 基于二氧化钒和碳纳米管薄膜组装的多功能全无机柔性驱动器

【引言】

驱动器是一种将外部刺激转换成机械动力的装置，在仿生机器人、人造肌肉和微电子机械系统等领域具有广泛地应用。近年来，随着可穿戴电子设备的兴起，具有快响应、低能耗、长寿命、柔性好等优异性能的驱动器吸引了研究人员的广泛关注。然而目前，大部分柔性驱动器由全有机或是有机/无机复合材料组成，响应慢、有限的寿命和高能耗等缺陷极大限制了其应用。二氧化钒作为一种经典的相变材料，在68℃附近会发生金属—半导体相变，从低温的单斜晶向结构转变为高温的四方晶向结构。整个转变过程非常快，易于精密加工，大大降低了能耗，这就使二氧化钒能够作为调控输入功率的理想材料，应用于柔性无机驱动器中。

【成果简介】

近日，清华大学低维量子物理国家重点实验室魏洋教授和新陶瓷与精细加工国家重点实验室刘锴教授（共同通讯作者）等人采用激光微调技术制备了不同几何形状的碳纳米管薄膜，同时在薄膜上沉积生长二氧化钒薄膜，制备出基于VO₂ /CNT 复合薄膜的全无机多功能柔性驱动器，并且成功应用在仿生昆虫翅膀、毫米级仿生手指等方向。与此同时，研究人员还将钨掺杂进复合薄膜，大大降低了材料的相变温度，从而制备出可应用于人体温度驱动电子开关的W-VO₂/CNT 驱动器。

研究发现，上述驱动器可以在100Hz 的高频率下对外部刺激做出快速响应，同时在经过持续1000000次的连续可逆变形后，该驱动器仍然保持着稳定性能。如此优异的性能，主要归功于二氧化钒的掺杂，大大降低了相变温度和能量损耗，以及碳纳米管薄膜良好的导电性和光吸收性能，大大提高了驱动器对外界刺激的响应能力。

【图文导读】

图一 VO₂ /CNT 驱动器的制备过程及表征

（A）VO₂ /CNT 驱动器的制备过程示意图。

（B）激光微调技术处理的不同图案的碳纳米管薄膜。

(C, D) 分别为三角形VO₂ /CNT 驱动器的扫描电镜图像和局部放大图。

（E，F）分别是VO₂ /CNT 驱动器的Raman图谱和EDX 能谱图。

图二 VO₂ /CNT 和W-VO₂ /CNT 驱动器对不同外部刺激的响应

（A）VO₂ /CNT 驱动器对外部刺激的响应原理示意图。

（B） 随温度从60℃升高到78℃，VO₂ /CNT 驱动器响应的光学图像。

（C, D）分别是加热和降温过程中，VO₂ /CNT 和W-VO₂ /CNT 驱动器的电阻变化和末端位移变化。

（E）在焦耳加热和激光辐照的驱动下，VO₂ /CNT 和W-VO₂ /CNT 驱动器的末端位移随功率损耗的变化趋势图。

（F）VO₂ /CNT 和W-VO₂ /CNT 驱动器末端位移随驱动频率的变化趋势图。其中，VO₂ /CNT 驱动器分别由激光（1900 mW/cm²）和焦耳加热（2380 mW/cm²）驱动，W-VO₂ /CNT 驱动器由激光（624 mW/cm²）驱动。插图为VO₂ /CNT 驱动器在空气中运行1000000次的可行性测试，结果表明该驱动器几乎没有发生振幅衰减。

图三   三角形VO₂ /CNT 驱动器的温度分布

（A）三角形VO₂ /CNT 驱动器输入功率为2065 mW/cm²时的温度分布模拟示意图。

（B）不同输入功率密度下三角形VO₂ /CNT 驱动器监控点温度的模拟数据和实验数据的对比。

（C）不同功率密度的激光辐照下，红外摄像机捕获的碳纳米管薄膜热像图。图中标尺为2 mm。

图四  VO₂ /CNT 双压电晶片的仿生应用：昆虫翅膀和仿生手指

（A）VO₂ /CNT 双压电晶片制备的昆虫翅膀侧视图像。

（B）激光辐照时翅膀拍动的图像。

（C）VO₂ /CNT 双压电晶片制备的带四根手指的仿生手指图像。

（D）激光辐照时手指收紧的图像。

（E-H）激光控制仿生手指将纸片从A移动到B位置。

图五  人体温度驱动W-VO₂ /CNT 电子开关

（A）人体温度驱动W-VO₂ /CNT 电子开关的原理示意图。

（B）由于W-VO₂ /CNT 开关的驱动，仪表A的电路在37℃被切断，冷却后又重新恢复。插图为W-VO₂ /CNT开关和钨探针连接的光学图像。

【小结】

本文作者成功利用激光微调和磁控溅射技术，将二氧化钒与碳纳米管薄膜材料相结合，制备出一种具有快速响应（> 100Hz）、长寿命、低能耗的全无机柔性驱动器。该驱动器在经过持续1000000次的驱动后，并没有明显的振幅衰减，显示出优异的性能。此项研究为柔性驱动器在仿生、电子开关等领域的应用提供了新的思路和途径。

文献链接：Flexible, All-Inorganic Actuators Based on Vanadium Dioxide and Carbon Nanotube Bimorphs （Nano Lett., 2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett. 6b04393）

该文献汇总由材料人编辑部纳米学习组章华供稿，材料牛编辑整理。

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