南开大学梁嘉杰团队《Nano Letter》：可印刷及可拉伸的“温度-应变”双参数传感器
可穿戴的多重物理传感可应用于检测多种物理刺激（如机械变形和温度变化），因此被认为是构建电子皮肤的关键部分。设计用于模拟人体皮肤功能的可拉伸物理传感器的关键要求是能够在不受干扰的情况下同时监测和分离多个物理刺激，这些来自人体的物理刺激可以为健康监测提供丰富的生理信息。当这些传感器集成到电子皮肤是，则对性能有更高的要求。例如，温度传感器除了需要高的分辨外，还需要在承受大的拉伸应变并具有高的应变传感灵敏度，以准确检测微小应变和大应变。因此，为了使设备能够监测人体运动和健康，可拉伸温度和应变双参数传感器应能够快速准确地进行传感，同时在较大的拉伸应变范围内（>50%应变），以高温度检测精度（<0.5℃）和高灵敏度（GF>100）区分温度和应变刺激。然而，在实际应用中，对不同类型的信号进行无串扰的采集和处理仍然是一个巨大的挑战。
近日，南开大学梁嘉杰教授团队报告一种可印刷及可拉伸的导电-热电纳米复合材料，来构建具有多级层次结构的“应变-温度”双参数传感器。在这种分层传感结构中，碲纳米线（TeNWs）与导电的2D碳化钛（Ti3C2Tx）MXene纳米片和银纳米线（AgNWs）复合，可作为“无机砖”材料：PEDOT:PSS则作为“有机砂浆”材料（图1/图2）。利用导电MXene-AgNW网络的裂纹扩展效应和TeNW-PEDOT:PSS的热电效应网络, 应变和温度变化刺激可以同时被检测，并分别转换成独立的电流和电压信号。多层次体系结构中各功能组分之间的协同效应提高了双参数传感器的可伸缩性和灵敏度。一方面，该器件具有0.2 °C（未拉伸状态下）的精确温度分辨率，快速响应时间∼1.8 s；在62%的拉伸应变范围内应变灵敏度gauge factor >200（最大1933.3）（图3）。另一方面，在25−40°C温度范围内器件可对温度和应变刺激同时无干扰响应（图4/图5）。
图1（a） 可拉伸MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW双参数传感器的制作工艺和结构示意图。在（b）施加应变，（c）施加温度梯度，以及（d）同时施加应变和温度刺激时，传感器的解耦传感机制示意图。
图2（a）MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW纳米复合油墨的TEM图像（b）纳米复合油墨中元素Ag、S、Te和Ti的相应EDS图谱。（c） MXene在Ti2p区的XPS谱（d） 打印MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW纳米复合薄膜的横截面SEM图像和（e）平面SEM图像（f） 纯MXene和MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW的XRD图谱。
图3 MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW双参数传感器的热传感和应变传感性能：（a） 红外热成像显示了一个传感薄膜的温度分布，其中一端加热，另一端由两个分离的帕尔贴元件冷却。温度梯度为9℃。（b）在不同ΔT下测量的传感膜的I−V曲线。（c）测量输出电压作为传感器薄膜ΔT的函数（d）在ΔT为0.2°C时，未拉伸状态下传感膜的输出电压。（e） 在加热和冷却循环下测量传感膜的响应时间。（f）一个加热-冷却循环的放大图：加热-冷却循环的响应时间（青色）和加热-冷却循环的松弛时间（黄色）。（g）测量系数和传感装置的线性行为。（h） 在0-15%应变范围内，1000次拉伸和释放循环后，传感器的相对电阻变化。
图4 MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW传感器应变与温度同步传感性能研究。（a） 在不同的ΔT（0、3、6和9°C）和不同施加应变（5%、30%和60%）下测量纳米复合传感装置的I−V曲线。（b）在不同的ΔT（1、3、6和9°C）和应变（0、20、40和60%）下传感装置的温度变化。（c） 在不同的ΔT（0、5、10和15℃）下，作为传感装置施加应变函数的相对电阻变化。（d） 在拉伸前、250次拉伸-释放循环后以及500次拉伸-释放循环后，在0-15%应变之间的加热和冷却循环下，输出Vtherm。
图5 MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW传感器温度和应变变化的实时监测（a） 红外热图像显示了在温度和应变刺激下传感装置的温度变化。（b） 温度差为12℃，应变为35%时，传感器件的实时输出电压和相对电阻变化。
这种双传感能力，加上方便和经济的制造工艺，使该可伸缩温度-应变双传感器在多功能可穿戴电子应用中有着广阔的前景。该研究工作发表于Nano Lett.上。论文的第一作者为南开大学材料科学与工程学院博士生李凤超，通讯作者为梁嘉杰教授。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c02519
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