超高靈敏度壓力傳感在醫(yī)學(xué)檢測、電子皮膚、機器人皮膚、交互式輸入/控制設(shè)備、數(shù)據(jù)收集等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。但迄今為止的壓阻式高靈敏壓力傳感器主要采用滲流效應(yīng)或接觸電阻模型作為轉(zhuǎn)導(dǎo)機制，而基于這兩種機制的壓力傳感器存在著靈敏度不夠高或難以制備以及難以推廣應(yīng)用等問題。
為此，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系武利民團隊將一種空心帶刺納米結(jié)構(gòu)碳球（UHCS，圖1a,b）與聚甲基硅氧烷彈性體（PDMS）進行復(fù)合，結(jié)合理論計算，發(fā)現(xiàn)該材料體系在極低濃度導(dǎo)電載體（1.5 wt%的碳球）下，受微小外力作用，即通過F-N隧穿效應(yīng)，產(chǎn)生大的電流密度，從而實現(xiàn)了對外界壓力的高靈敏度響應(yīng)。相關(guān)成果于7月15日，以Quantum effect-based pressure sensor achieving ultrahigh sensitivity and sensing density為題在線發(fā)表在《自然·通訊》（Nature communications）上?(Nature Communications, 2020, 11, 3529 )。
武利民教授團隊所發(fā)展出的超高靈敏度傳感薄膜材料，厚度僅為20微米，最高靈敏度達260.3?kPa-1，擁有著1至10000Pa壓強范圍的傳感能力，且薄膜無色透明，可通過旋涂方法大面積應(yīng)用于各種形狀的表面（圖1c）。最小檢測面積可小至31.7 m2，約為頭發(fā)絲橫截面積的1/200，因此在高密度、大面積陣列傳感方面有著重要應(yīng)用前景。該傳感薄膜之所以擁有如此優(yōu)異的性能，與其新穎的轉(zhuǎn)導(dǎo)機制密不可分。他們通過考察量子尺度下諸多類型的材料體系電學(xué)特征并結(jié)合課題組的功能微球設(shè)計、合成技術(shù)，利用統(tǒng)計學(xué)放大方法，成功地將只發(fā)生在低納米尺度的F-N隧穿效應(yīng)擴展至微米尺度，通過信號采集，實現(xiàn)了整個體系的高性能力學(xué)傳感。得益于這種新的轉(zhuǎn)導(dǎo)機制和空心微球的應(yīng)用，該體系壓力傳感材料在實現(xiàn)高靈敏度傳感和透明性的同時還實現(xiàn)了高的溫度穩(wěn)定性、高密度陣列、強的抗串擾能力等（圖1d,e）。
武利民課題組的博士生石瀾，材料科學(xué)系青年研究員李卓為該論文的共同第一作者，武利民教授為該論文的通訊作者，材料科學(xué)系陳敏教授、信息科學(xué)與工程學(xué)院秦亞杰副教授及博士生江逸舟等多次參與討論。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委和復(fù)旦大學(xué)聚合物分子工程國家重點實驗室等的共同資助。該研究已申請中國和國際PCT專利各一項。
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