朱彦武：三维石墨烯/PDMS复合薄膜应变传感器兼具高灵敏度和广应变范围

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石墨烯由于其固有的平面结构和刚性（面内刚度~130GPa），难以在承受较大的拉伸应变条件下依然保持良好导电性。实验结果表明，无基底支撑的CVD石墨烯在单向拉伸不到1%时就会完全断裂（Nat. Commun.2014, 5, 4782.）；转移到PDMS基底上的CVD石墨烯在单向拉伸应变超过5%的状态下，石墨烯晶格就会被破坏，导致电阻剧增且不可逆（Appl. Phys. Lett.2011, 99, 213107.）；理论计算表明，沿着Zigzag方向进行单向拉伸，石墨烯所承受的拉伸应变可超过20%（Nano Lett.2009, 9, 3012.），但是仍难以应用于应变范围较大的柔性及可穿戴电子器件领域。

CVD石墨烯薄膜

近期研究表明，在生长基底上塑造特定的微观形貌，例如在铜箔上加工出沟道结构（ACS Nano 2013, 8, 1039.）或菲涅尔透镜图案（ACS Nano 2016, 10, 9446.），能够显著改善CVD石墨烯的电机械性能，转移到可拉伸基底上以后，拉伸范围最大可至40%，成功应用于可拉伸透明电极。另一方面，引入三维结构能够有效改善石墨烯的电机械性能，因为材料的三维骨架结构在承受应力时可在连接处向应力方向发生偏转，从而均匀分摊材料承受的应力并保持较完整的石墨烯晶格结构，因而电学性能得以保持。采用泡沫镍作为基底，生长的三维泡沫石墨烯可应用于大范围可拉伸电子器件领域（Nat. Mater.2011, 10, 424. & Chem. Commun.2015, 51, 3169.），拉伸范围最大可至95%，但电阻变化较小，可作为性能优异的弹性导体但无法应用于大范围应变传感器领域。对石墨烯应用于应变传感器领域而言，灵敏度和拉伸范围都有待进一步提升。

近日，中国科学技术大学朱彦武教授（通讯作者）研究组采用多孔铜箔（Porous Copper Foil,PCF）作为基底，利用化学气相沉积（Chemical VaporDeposition, CVD）生长出一种三维石墨烯膜（Three-DimensionalGraphene Films, 3D-GFs），将其直接转移到柔性基底聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane,PDMS）上，制备了3D-GFs和PDMS的复合薄膜——3D-GFs/PDMS，该复合薄膜的电阻随弯曲或拉伸应变的产生和恢复在较大范围内呈现可逆变化。研究发现，3D-GFs/PDMS的电机械性能与生长温度紧密相关。当生长温度为1000 ℃时，所得复合薄膜3D-GF-1000/PDMS，电导率约为11.6 S cm-1，具有良好的柔韧性，拉伸至50%应变状态下，相对电阻变化（ΔR/R0）为2.67，弯曲至曲率半径为1.6mm的状态下，ΔR/R0为0.36，可应用为弹性导体；当生长温度为900 ℃时，所得复合薄膜3D-GF-900/PDMS，作为应变传感器表现出优异的性能，拉伸范围最大可至187%，灵敏度（Gauge Factor）最高可达约1500，连续5000圈拉伸-释放循环测试表明该材料的抗疲劳性能良好。相关成果以题目为“Three-Dimensional Graphene Films EnableSimultaneously High Sensitivity and Large Stretchability for Strain Sensors”的研究论文发表在期刊《Advanced Functional Materials》上。

目前， CVD石墨烯薄膜已经实现工业化制备和规模化转移，转移到柔性基底（例如PET、PDMS等）上具有一定的柔韧性，在透明导电薄膜领域具有潜在实用价值，但是难以应用于应变范围较大的可拉伸电子器件领域。该工作展示了一种三维石墨烯膜（3D-GFs），转移到柔性基底（PDMS）上以后，使得石墨烯的电机械性能得以大幅改善。研究表明，通过调节生长温度改变三维石墨烯膜（3D-GFs）的石墨化程度以及缺陷，能够实现三维石墨烯膜（3D-GFs）在弹性导体和大范围应变传感器等不同应用。我们相信这项研究为CVD石墨烯应用于大范围可拉伸传感器提供了基础；通过进一步调控生长基底上孔的微观形貌以及生长条件，或可进一步改善其性能并应用于其他可拉伸电子器件领域。