石墨烯高灵敏传感机制与功能集成研究

Sensing physical and chemical signals with soft materials in small scale has attracted increasing attention. In the proposed project, we will systematically study the sensing behavior of graphene polycrystalline tiling structures by developing several prototypes based on a "sliding+cracking+swing" mechanism in highly sensitive strain and temperature sensing. The combination of woven fabric and tilting structures is extremely sensitive to deformation or temperature along with enhanced materials integrity, with features in both macro- and nano-scales. The sliding and swing of graphene plates upon external input provides high sensitivity and wide operating range. The sensing mechanism and related theory for the graphene-based structures will be elucidated. Based on our current achievements, this project is further exploring ways to realize large-scale fabrication of above-mentioned graphene-based flexible and wearable sensors. The success of this project holds the promise of creating new potential for nanoscale sensing applications, paving the way for the feasible use in portable electronic devices, etc.

本项目面向现代传感应用对新材料、新概念和高灵敏度的需求，以石墨烯这一独特的二维材料为研究对象，以传感新原理的创制和柔性传感结构的设计与集成应用为目标，通过制备石墨烯多晶堆叠结构，提出“滑动+裂化+回复”传感新机制。在微观上通过调控内部石墨烯晶片的尺寸、形状及堆叠方式提高灵敏系数和响应速度；在宏观上借助拓扑结构图案化设计提升测量范围和空间适应性。解决石墨烯结构设计、力电响应等关键科学问题，获得具有高灵敏系数和良好空间、环境适应性的石墨烯柔性传感器。在此基础上开发面向可穿戴应用的柔性传感器件原型的制造方法和工艺，为实现石墨烯在传感领域的应用奠定基础。

现代传感技术逐渐面向智能化、多功能化、小型化、柔性化、人性化等方向发展。石墨烯，作为一种新型碳纳米材料，因其独特的二维结构特点、受缺陷调控的电学特性及多维度空间适应性，已成为高灵敏传感的首选材料之一，并有望在柔性传感器件中获得应用。本项目面向现代传感应用对新材料、新概念和高灵敏度的需求，以石墨烯为研究对象，以传感新原理的创制和柔性传感结构的设计与集成应用为目标，通过制备石墨烯多晶堆叠结构，提出了“滑动+裂化+回复”传感新机制。在微观上通过调控内部石墨烯晶片的尺寸、形状及堆叠方式提高灵敏系数和响应速度；在宏观上借助拓扑结构图案化设计提升测量范围和空间适应性。解决了石墨烯结构设计、力电响应等关键科学问题，获得了具有高灵敏系数和良好空间、环境适应性的石墨烯柔性传感器。在此基础上开发了面向可穿戴应用的柔性传感器件原型的制造方法和工艺，探索了编织结构石墨烯柔性应变传感器在实际应用中的性能，对多种微信号（包括应变、振动、压力等）进行收集、识别和传输，及监测生命体的生理状态（如脉搏、手势识别、微笑、发声等）进一步将应变传感器与可拉伸的电致变色模块一体化集成，实现了受拉伸程度调控的可视化应变传感，赋予了器件更多的功能性，为实现石墨烯在传感领域的应用提供了实验和理论依据，在人机交互、智能机器人、移动医疗等领域具有应用前景。