一步无转移制备石墨烯/PDMS柔性传感器，用于各种可穿戴应用

1成果简介

医疗保健监测、人机界面和软体机器人的发展需要开发高效、可扩展和易于制备的可穿戴传感器。虽然激光诱导石墨烯（LIG）最近在制备基于图案化石墨烯的可穿戴传感器方面引起了广泛关注，但由于碳前驱体的伸展性有限，转移过程不可避免。本文，中国科学院宁波材料技术与工程研究所 赵伟伟 副研究员团队在《ACS Appl. Nano Mater》期刊发表名为“In Situ Growth of Laser-Induced Graphene on Flexible Substrates for Wearable Sensors”的论文，研究提出了一种在各种柔性基底（聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 和纸）上原位生长无转移石墨烯的策略。这是通过在目标基底上涂覆生物基液体碳前体（PGE-fa），然后在环境条件下进行激光照射实现的。封装后，就得到了柔性传感器。

基于LIG在图案化方面的优势，系统地研究了不同形状和几何参数的设计，以优化传感性能。最终制备出的 LIG/PDMS 传感器工作范围宽达约30%，灵敏度高达 68,238.5，并且在 10,000 次循环中具有出色的稳定性。此外，该传感器对不同弯曲角度的外部刺激反应良好。通过监测人体运动，从包括声带在内的细微信号到手指和肘关节的大幅运动，进一步证明了该传感器的潜在应用价值。

2图文导读

图1.（a） PGE-fa的具体合成步骤。（b） 铂族元素-fa 的粘度随温度的变化。（c） 传感器制造工艺示意图。插图显示了 LIG/PDMS 可穿戴传感器的灵活性。（d） PDMS衬底上的图案化LIG。PDMS底物的尺寸为7厘米×7厘米。（e）LIG在不同柔性基底上的原位生长。

图2.（a） LIG在PDMS衬底上的横截面SEM图像。（b） LIG/PDMS可穿戴传感器的横截面SEM图像。（c）高分辨率TEM图像，（d）拉曼光谱，（e）XRD图谱和（f）LIG的XPS图谱。

图3、LIG/PDMS应变传感器的性能

图4.LIG/PDMS应变传感器的性能

图5.LIG/PDMS弯曲传感器

图6.实时监控人体信号

3小结

综上所述，本文通过在环境条件下对液体前体进行激光照射，在柔性基板（PDMS、PET 和纸）上原位生长 LIG，为基于激光诱导石墨烯 （LIG） 的可穿戴传感器开发了一种无转移制造策略。由此产生的LIG具有高质量的石墨烯，并表现出互连的网络结构。利用LIG在图案化中的优势，系统地评估了具有不同几何参数（线宽、圆弧半径、圆弧角等）的蛇形设计的拉伸行为，以优化传感性能，并将其性能与不同设计（直线和锯齿形）进行比较。

因此，LIG/PDMS应变传感器具有∼30%的宽工作范围，GF = 68238.5的高灵敏度，10,000次循环的长期稳定性以及约0.3/约0.35秒的响应/恢复时间。同时，该传感器对 10 至 60° 角度的弯曲反应良好。各种应用表明，制造的传感器能够实时监测人体运动，例如人体发声以及手指和肘关节的运动。我们的策略结合了石墨烯的简单图案化和石墨烯-聚合物复合材料的一步无转移制造，为开发适合不同场景的柔性可穿戴传感器提供了独特的机会。

文献：
https://doi.org/10.1021/acsanm.3c05669

来源：材料分析与应用