多功能傳感器和固定傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)和實(shí)施需要靈活、無毒和高靈敏度的器件，這可以為從醫(yī)療保健到環(huán)境監(jiān)測等諸多應(yīng)用領(lǐng)域帶來變革性的解決方案。石墨烯因其對(duì)外界刺激具有高靈敏度的優(yōu)異電學(xué)特性，使其成為先進(jìn)傳感技術(shù)的理想候選材料。石墨烯噴墨打印（iGr）可以為多功能傳感器制造提供一種通用平臺(tái)。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，英國諾丁漢大學(xué)（University of Nottingham）的研究人員通過將噴墨打印的設(shè)計(jì)自由度與石墨烯網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特特性相結(jié)合開發(fā)了一種多功能傳感器。該傳感器能夠響應(yīng)于一系列外部刺激（例如溫度、壓力、濕度和磁場），適用于部署在硅基以及柔性和可穿戴電子設(shè)備中。相關(guān)研究成果以“Inkjet Printed Multifunctional Graphene Sensors for Flexible and Wearable Electronics”為題發(fā)表在Advanced Electronic Materials期刊上。
在這項(xiàng)工作中，研究人員利用多材料、多層噴墨打印技術(shù)設(shè)計(jì)并制造了一種基于石墨烯的多功能傳感器。在這種設(shè)計(jì)中，由三丙二醇二丙烯酸酯（TPGDA）絕緣層分隔的兩個(gè)iGr層組成的器件被印刷在柔性Kapton基底上，形成iGr/TPGDA/iGr異質(zhì)結(jié)構(gòu)。該器件的整體尺寸為1.2 cm x 1.2 cm。
基于石墨烯的多功能傳感器設(shè)計(jì)
該傳感器被設(shè)計(jì)用于同時(shí)感測三種外界刺激：底部iGr層用于溫度（T）傳感，頂部iGr層用于相對(duì)濕度（RH）傳感，iGr/TPGDA/iGr異質(zhì)結(jié)構(gòu)的垂直電容用于壓力（P）傳感，研究人員提供了該技術(shù)的概念驗(yàn)證。
（a）不同厚度的iGr器件的歸一化電導(dǎo)率；（b）在25°C < T < 80°C溫度下，兩次加熱/冷卻循環(huán)期間傳感器底部iGr條電阻的溫度依賴性
（a）iGr電阻對(duì)環(huán)境RH的依賴性；（b）iGr-TPGDA-iGr夾層結(jié)構(gòu)的電容隨施加壓力的變化
為了證明這項(xiàng)技術(shù)在可穿戴傳感器方面的潛力，研究人員展示了一種打印在織物上的iGr傳感器。在將iGr噴墨沉積到聚酯棉上之前，將TPGDA底漆層沉積在織物纖維上，以減少石墨烯油墨滲入多孔織物中。這種可穿戴設(shè)備對(duì)溫度、濕度和壓力的響應(yīng)與Kapton上展示的相當(dāng)。
在織物上噴墨打印的石墨烯/TPGDA異質(zhì)結(jié)構(gòu)
研究人員已經(jīng)證明，石墨烯網(wǎng)絡(luò)對(duì)外部刺激的敏感性，再結(jié)合噴墨打印所具備的設(shè)計(jì)自由度，為特定應(yīng)用的個(gè)性化和/或有針對(duì)性的傳感解決方案提供了一條途徑。該研究將多種功能集成在單個(gè)傳感器中，能夠可靠地區(qū)分針對(duì)每種刺激的輸出響應(yīng)，并為可擴(kuò)展的制造提供了機(jī)會(huì)。
總而言之，研究人員通過利用低維材料和聚合物材料的噴墨打印來制造具有高幾何自由度的器件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了多功能石墨烯傳感器。該傳感器的功能、靈敏度和響應(yīng)時(shí)間根據(jù)溫度、壓力和濕度進(jìn)行了測試，并證明了其同時(shí)監(jiān)測多種刺激的能力。該傳感器已成功噴墨打印在各種柔性和剛性基底上，例如Kapton膠帶、Si/SiO?、玻璃和織物。
研究人員發(fā)現(xiàn)該傳感器的靈敏度和性能與所使用的基底無關(guān)，但高度依賴于沉積的iGr層的厚度。液滴印刷器件表現(xiàn)出與iGr薄膜不同的電子特性，例如器件電導(dǎo)率對(duì)薄膜厚度的超線性依賴性、器件電導(dǎo)率的高再現(xiàn)性和強(qiáng)門控效應(yīng)。Kapton和織物上的iGr薄膜在溫度、濕度和壓力等環(huán)境因素下表現(xiàn)出穩(wěn)定的性能。這些發(fā)現(xiàn)為噴墨打印多功能石墨烯傳感器的開發(fā)開辟了有益前景，其應(yīng)用包括環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健和量子技術(shù)。
論文信息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202400689
