香港中文大学许建斌研究组ACS Nano：可以持续测量压力信号的石墨烯/压电纳米线传感器

【引言】

压电纳米线可以把微弱的压力信号转化为电信号同时具有微秒级的反应速度，有望在压力传感器中得到应有。 然而， 压电纳米线的对压力反应的电信号是以脉冲形式存在， 即只有在压力施加的过程才有电信号的产生， 一旦施加压力稳定， 其电信号就会消失。这种现象使得压电纳米线只能作为动态信号响应的压力传感器， 而不能用做静态压力的测量。

【成果简介】

近日，香港中文大学电子工程系许建斌教授、李昕明博士（共同通讯作者）与合作者在ACS Nano上发表题为“Flexible Piezoelectric-Induced Pressure Sensors for Static Measurements Based on Nanowires/Graphene Heterostructures”的文章，本文第一作者为香港中文大学博士研究生陈泽锋和湖北大学王钊博士。文中作者提出一种复合石墨烯与压电纳米线的压阻型柔性压力传感器，这种体系可以实现用纳米线实现对压力的信号测量。在该器件中，石墨烯作为载流子输运通道，PbTiO3纳米线作为压力响应材料。压力作用下，PbTiO3纳米线的应变诱导极化电荷影响石墨烯的电荷散射，从而导致石墨烯的载流子迁移率下降， 进而改变石墨烯的电阻。这样，该复合结构可以实现对压力信号的持续稳定测量。

【图文导读】

图1 柔性石墨烯/压电纳米线压力传感器的制备流程及材料表征

（a）柔性石墨烯/压电纳米线传感器的制备流程图

（b）石墨烯的Raman 光谱

（c）PbTiO3纳米线的扫描电镜图

图2石墨烯/压电纳米线的压力响应性能

（a）不同压力下的响应电流

（b）脉冲压力下的电流响应

（c）器件的压力响应响应速度

图3 复合结构与非复合结构的压力响应对比结果

（a）纯压电纳米线的压力响应

（b）纯石墨烯的压力响应

（c）石墨烯/压电纳米线的压力响应

图4 石墨烯/压电纳米线复合机构的工作机理说明

（a）石墨烯/压电纳米线场效应晶体管在不同压力下的转移曲线

（b）从图（a）中提取的压力诱导电流

（c）从图（a）中拟合出来的石墨烯载流子迁移率和残留电荷浓度

（d）-（f） 石墨烯/压电纳米线场效应晶体管在非受压与受压时的界面能带结构

图5 柔性石墨烯/压电纳米线压力传感器在健康监测中的应用

（a）器件用于监测手腕脉搏

（b）和（c）手腕脉搏作用在器件上形成的电流信号

【小结】

本文实现了具有优异性能的压电纳米线/石墨烯压力传感器，并实现了压力信号的稳定静态测试，该器件设计思路也有望在石墨烯其他异质结构或其他二维材料器件应用中得到广泛应用。

文献链接：Flexible Piezoelectric-Induced Pressure Sensors for Static Measurements Based on Nanowires/Graphene Heterostructures（ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.6b08027)

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