Nature Comm.: 基于吹纺无机纳米纤维的柔性可拉伸电子
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对于可穿戴电子皮肤和织物而言，在满足轻量和机械柔性、可拉伸功能等功能外,还需要低制造成本，高可靠性，多功能性和长期稳定性。为了实现机械拉伸性，多种工程结构，包括弹性体中的渗流型电荷传输网络，导电的路径（波浪形，蛇形，网状）或结构（皱纹，膨胀），被用来适应外部的机械应变。从材料设计的角度来看，单晶硅纳米膜，金属纳米结构，含碳类纳米材料，以及导电聚合物是WEST领域中常用的候选材料。然而，在多刺激传感能力及其性能（灵敏度，响应时间等），以及长期稳定性和制造成本方面，仍有很大的发展空间。
金属氧化物（MO）半导体（例如IGZO，SnO2，ZnO）和导体（ITO，FTO）等已被大规模成熟的应用在显示器，触摸屏和传感器等领域。从而证明了其在多个方面比上述材料显示出更加优异和稳定的性能。但是，可以维持最大断裂水平约1％的块状金属氧化物本质上很难拉伸到WEST所需的应变程度。此外，合成和加工与其他纳米材料长径比（>1000）相当的MO纳米结构的具有挑战性。
近期，美国西北大学Tobin J Marks, Antonio Facchett课题组联合休斯顿大学余存江课题组和香港城市大学Xinge Yu于欣格课题组在Nature Communications发表研究论文。论文第一作者为美国西北大学的Binghao Wang博士，其他作者包括休斯顿大学的博士生Anish Thukral （并列一作），香港城市大学的Zhaoqian Xie博士, 以及西北大学的Limei Liu, Xinan Zhang 以及Wei Huang。
作者将吹纺技术用于制备多种半导体/导体三维无机纳米纤维网络，包括IGZO，CuO，ITO和Cu，并被用于薄膜晶体管和多功能传感器。基于IGZO纤维网络的晶体管显示出出色的机械柔韧性（弯曲半径低至1 mm）和对NO2气体的高传感、选择性。更令人印象深刻的是，转移至柔性基底（SEBS）上的纤维网络器件具有>50%的高拉伸性并能够灵敏的感应紫外线，温度，压力和人体呼气。最后，作者展示了能够进行多传感器识别的单片集成纳米纤维器件平台。
如图1所示，作者将金属盐和聚合物混合在乙醇中，通过吹纺技术快速大规模制备多种纤维网络。经过400-500摄氏度高温退火后，可以获得多种金属氧化物和金属纤维。
图1：金属和金属氧化物纳米纤维的合成和结构表征。
为了验证无机纤维网络的可拉伸性，作者使用有限元法对其的力学性能计算模拟。单根纤维在不同的应变方向显示出区别很大的应力-应变行为。纤维与应力方向角度越大，其受到的应变越低。实验证明基于IGZO纤维网络的在50%应变时，电阻仅增加6倍，并且以10%应变拉伸-回复5000次循环后性能几乎保持不变。
图2：IGZO单根纤维和纤维网络在应变下的实验数据和理论计算。
基于IGZO纤维的晶体管具有出色的机械柔韧性（弯曲半径低至1 mm）和对NO2气体的高传感选择性（灵敏度为33.6％ppm-1）。更令人印象深刻的是，转移至柔性聚[苯乙烯-b-（乙烯-共-丁烯）-b-苯乙烯]（SEBS）的IGZO纤维器件能够感应紫外线（比探测率= 5.2×10^10 Jones），温度（灵敏度= 2.2％C-1）和鼻子呼出的呼气。此外，作者展示了用作压力传感器的CuO纤维/SEBS器件。
图3：基于IGZO纤维网络的柔性晶体管和可拉伸多响应功能（紫外，气体，温度，呼气和压力）的传感性能。
在最后部分，作者利用可穿戴式的ITO纤维/SEBS用于手势识别。具有出色的操作稳定性和快速的响应/恢复时间。接下来，如图4所示，通过将五个应变传感器安装在手的手指关节上，监视应变传感器的ΔR/ R0与特定手势之间的直接相关性。例如，为了表示“ OK”的符号，拇指和食指完全折叠（ΔR/ R0> 2.0），而中指，无名指和小手指则拉直（ΔR/ R0<0.2）。其它手势，例如“GOOD”，“LOVE”，“GREAT”，“HI”和“VICTORY”都可以以特定的相应手势来识别的。为了识别多种外界刺激，作者以创可贴形式展示了单片集成IGZO+ITO+CuO纤维器件平台。
图4：基于可穿戴的ITO 纤维网络的器件的手势识别和用于感测和区分多种刺激的单片集成器件。
招聘信息：
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课题组网页：http://yu.me.uh.edu/
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Organic electronics; OFET; OPV; photodetector; etc.
Nano electronics; semiconductor materials and devices; microelectronic; optoelectronics
Flexible, stretchable and biointegrated electronics
Biomedical engineering: tissue engineering; bioprinting
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