西北工业大学黄维院士/王学文教授课题组 Adv. Mater.：二维材料柔性传感器

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柔性传感器以其可折叠、可卷曲、可拉伸的特殊物理属性和轻质、便携、低能耗等特点备受人们关注。二维（2D）过渡金属硫族化合物（Transition metal dichalcogenides, TMDs）材料理论上具有最小的弯曲刚度，可以满足柔性器件对电子功能材料的性能调控，因此被认为是柔性电子领域极具应用潜力的候选材料之一。然而，大面积、图案化和高质量的2D TMDs材料往往需要较高的生长温度，不利于其在柔性聚合物衬底上直接制备，这也制约了2D TMDs 材料在柔性电子领域的应用。

近日，西北工业大学黄维院士团队王学文教授课题组提出在柔性衬底上低温合成大面积、图案化和高质量2D TMDs材料的方法，并且在柔性衬底表面直接原位集成了多种传感器，包括温度传感器、生物电传感器等。相关研究成果以“Large-scale Ultra-robust MoS₂ Patterns Directly Synthesized on Polymer Substrate for Flexible Sensing Electronics”为题发表在国际顶级期刊Advanced Materials上，柔性电子前沿科学中心李伟伟副教授、许曼章副教授和博士生高久伟为本文的共同第一作者，黄维院士和王学文教授为共同通讯作者。

该方法首先制备了超薄聚酰亚胺柔性衬底及可用于喷墨打印的水性前驱体墨水，通过调控墨水组分、溶剂比例，对MoS₂前驱体墨水的表面张力、粘度和密度进行优化与调控，制备的前驱体墨水能够实现稳定喷射，并且通过调控前驱体的浓度，可以得到不同厚度的前驱体薄膜，基于此在聚酰亚胺衬底表面喷墨打印了敏感单元。之后引入氩气保护，在氢气辅助下实现了前驱体在较低温度（350 °C）的热分解与原位结晶，获得了图案化的MoS₂结晶薄膜（图1），通过高分辨透射电镜，进一步确认所得MoS₂由单晶组成的多晶相，其晶粒尺寸在10-20 nm之间，优于类似温度合成的MoS₂膜。此外，得益于超薄的MoS₂及和聚酰亚胺衬底之间的强粘附力，该MoS₂图案具有极佳的力学稳定性（曲率半径4 mm时，电阻变化率<2%）、耐久性（>10000次弯折）以及化学稳定性（耐丙酮、二甲基甲酰胺、紫外线等）（图2）。

图1喷墨打印和退火工艺相结合实现在聚酰亚胺表面直接生长MoS₂图案。

图2 制备的MoS₂薄膜的力学稳定性。

基于该工艺，可在聚酰亚胺柔性衬底表面直接原位集成多种柔性传感器，例如温度传感器和生物电传感器，实现对人体的皮肤温度、心电和肌电等信号进行连续、实时监测。其中，温度传感器对湿度和力学形变不敏感，在30到70 °C范围内具有优异的灵敏度系数（-0.98±0.03% °C-1）、高分辨率（0.1 °C）和循环稳定性，能够对呼吸频率进行准确分辨，甚至能对穿衣前后体表温度的变化进行识别，展现了较高的精度。生理电势对于人体健康至关重要，基于该工艺制备的MoS₂贴片能够贴附在手臂上，对心电图和肌电图进行记录，在运动过程中，也能保持生理电信号的稳定采集稳定，在手势识别、机器人控制以及人机交互方面具有应用潜力。

该工作不仅实现了在柔性衬底表面直接制备图案化MoS₂薄膜和柔性传感器集成，也为其他2D TMDs柔性材料的制备、柔性电子器件的设计与构筑以及2D材料在传感领域的应用提供了新思路。同时，为进一步研发可适应特殊环境工作的柔性电子器件与系统奠定了重要的基础材料保障。

文章链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202207447

团队负责人介绍：

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王学文：西北工业大学教授、博导，柔性电子研究院副院长、柔性电子前沿科学中心副主任、陕西省柔性电子重点实验室副主任、先进材料专家组成员。他长期致力于柔性传感器研究开发，并探索柔性传感技术在健康医疗、人机交互、环境监测等战略性新兴领域的实际应用。目前，承担国家重点研发计划课题、陕西省重点研发计划重点项目等国家级和省部级项目多项，主持柔性电子重大应用横向项目两项。近十年来，在柔性电子材料研究中，已在Research、Science Advances、Advanced Materials、JACS等国际顶级学术期刊发表研究论文70余篇，国际学术同行他引近六千次，获授权国内外发明专利10余项。相关研究成果被新华社、中央广播电视总台、《科技日报》、《中国科学报》、《中国日报》、《文汇报》以及Global Times、Materials Today等多家主流媒体报道。担任20多个国际主流学术期刊的审稿人，担任《材料导报》执行编委、Soft Science期刊青年编委、“柔性电子”专刊客座编辑、Sensors专刊客座编辑、中国电子学会青年科学家俱乐部成员。2022年，入选国际先进材料学会会士（FIAAM）、英国皇家化学会Nanoscale新锐科学家（Emerging Investigator）榜单、全球前2%顶尖科学家年度影响力榜单。

黄 维：中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士、巴基斯坦科学院外籍院士、国际欧亚科学院院士、亚太地区工程组织联合会（FEIAP）主席。长期从事有机/塑料/印刷/柔性电子学等国际前沿学科研究，是中国有机电子学科和柔性电子学科的奠基人与开拓者。曾两次获得国家自然科学奖二等奖、四次获得高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖一等奖、六次获得江苏省科学技术奖一等奖和二等奖以及何梁何利基金“科学与技术进步奖”和中国电子学会自然科学奖一等奖等，成果曾经入围中国“高等学校十大科技进展”。以通讯或第一作者身份在Nature、Science等世界顶尖学术期刊发表研究论文900余篇，H因子150，国际同行引用逾95000次，是材料科学与化学领域全球高被引学者。

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