CN107246929A - 二维硒化铟力学传感器的制备方法及其应用 - Google Patents

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冯伟
郑威
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    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
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Abstract

本发明公开了二维硒化铟力学传感器的制备及其应用。属于超灵敏力学传感器领域。本发明要解决现有单独石墨烯大面积薄膜的力学传感器应变系数值小的技术问题。本发明通过机械剥离法制备了二维InSe纳米片；通过模板法制备了二维硒化铟力学传感器，当对力学传感器施加非轴向力时电流变化较大，表现出显著的压阻效应，应变系数高达40，远高于传统的金属薄膜(GF＝1‑5)和石墨烯(GF＝2‑4)；且具有良好的力学稳定性。本发明二维硒化铟力学传感器对人体活动具有良好的灵敏度和稳定性，在超灵敏电子皮肤领域具有很大的应用前景。

Description

二维硒化铟力学传感器的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于超灵敏力学传感器领域；具体涉及二维硒化铟力学传感器的制备方法及应用。
背景技术
电子皮肤是一种仿生器件，可以模拟人体皮肤的某些功能，在过去的十年吸引了科学家的关注，得到了快速的发展。电子皮肤器件可以做为可穿戴器件对人体健康进行监测，也可以用在人工智能机器人上。材料良好的电学性能和机械稳定性也是应用的基础。到目前为止，科学家探索了各种纳米材料以满足上述的条件，如碳纳米管、纳米线和石墨烯。然而，器件的稳定性差和材料的重复性差是困扰一维材料应用的最大问题。
二维层状半导体材料具有优异的机械性能和电学性能，而且易于大面积制备，因此二维半导体材料可以作为潜在的电子皮肤材料。目前，二维层状半导体材料作为电子皮肤的研究刚刚起步。因此，发展高性能的二维层状半导体材料力学传感器是有重大意义的。
二维材料(石墨烯和层状半导体)可以克服一维材料的弱点，且与现在的薄膜集成技术相适应。然而，单独石墨烯大面积薄膜的力学传感器的性能较差，应变系数值仅仅是2-4。
发明内容
本发明要解决现有单独石墨烯大面积薄膜的力学传感器应变系数值小的技术问题；而提供了二维硒化铟力学传感器的制备方法及应用。
本发明以InSe纳米片为原料，采用模板法制备了高灵敏的力学传感器，具体的制备方法是按下述步骤进行的：
步骤一、将柔性基底依次用异丙醇、丙酮、乙醇和水中超声处理，用氮气吹干，待用；
步骤二、用Scotch胶带反复粘贴块体InSe材料至少5次，然后粘贴在经步骤一处理后的柔性基底上至少3小时，去除Scotch胶带后浸泡在丙酮中至少1小时，取出即可在柔性基底表面获得二维InSe纳米片；
步骤三、然后选择柔性基底表面上横向尺寸为(20-40)微米和厚度为(20-40)nm的二维InSe纳米片，用银胶固定金属掩膜版覆盖，然后在热台上焙烤，然后置于真空镀膜机中，真空条件下依次蒸镀金属铬和金电极，然后在金属金电极上两侧引出两根铜丝电极，最后浸没入PDMS中，加热使PDMS固化，即可得到柔性力学传感器。
进一步限定，步骤二中用Scotch胶带反复粘贴块体二维InSe材料5～10次。
步骤二中粘贴在经步骤一处理后的柔性基底上3～5小时。
步骤二中在丙酮中浸泡1～2小时。
步骤二中在热台上，在60～70℃条件下焙烤5～10分钟。
步骤二中真空度为1×10-4Pa条件下蒸镀。
步骤三中蒸镀金属铬电极的厚度控制在5～10纳米。
步骤三中蒸镀金属金电极的厚度控制在30～40纳米。
步骤三中加热使PDMS固化是在70～80℃的烘箱烘烤1～2小时。
上述方法制备的应用于二维硒化铟力学传感器用作电子皮肤器件，用于监测人体活动。
本发明方法制备的力学传感器具有超薄的厚度和良好的柔韧性，在柔性电子器件领域具有很好的应用前景。
本发明方法制备的力学传感器在非轴向拉伸力作用下电流显著增加，说明二维InSe 具有很好的压阻效应，应变系数高达40，远高于传统金属薄膜(GF＝1-5)和石墨烯(GF＝2-4)。
本发明方法制备的力学传感器具有良好的力学稳定性，对人体动作具有很好的灵敏度和稳定性，二维硒化铟在超灵敏电子皮肤领域具有很大的应用前景。
附图说明
图1是机械剥离法制备的二维InSe纳米片在PET基底上的光学图像；
图2是选取的InSe的原子力图像；
图3是制备的二维InSe力学传感器的光学图像；
图4是不同非轴向拉伸力作用下二维InSe力学传感器的流变化曲线；
图5是不同非轴向拉伸力作用下电流相对变化值曲线；
图6是对人体动作的实时监测电流变化曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中二维InSe力学传感器的制备方法是由下述步骤完成的：
步骤一、将柔性基底依次用异丙醇、丙酮、乙醇和水中超声处理，超声处理时间均为 10min，用氮气吹干，待用；
步骤二、用Scotch胶带反复粘贴块体InSe材料8次，然后粘贴在经步骤一处理后的柔性基底上4小时，去除Scotch胶带后浸泡在丙酮中1.5小时，取出即可在柔性基底表面获得二维InSe纳米片；
步骤三、然后选择柔性基体表面上横向尺寸为30微米和厚度为30nm的二维InSe纳米片，用银胶固定金属掩膜版(铜网模板)覆盖，然后在65℃的热台上焙烤5分钟，然后置于真空镀膜机中，真空度为1×10-4Pa条件下依次蒸镀5纳米金属铬和35纳米金电极，然后在金属金电极上两侧引出两根铜丝电极，最后浸没入PDMS中，在75℃的烘箱烘烤1.5 小时使PDMS固化，即可得到柔性力学传感器。
采用本实施方式的二维InSe力学传感器对人体动作的实时监测：
本实施方式中通过机械剥离法在PET衬底上制备二维InSe纳米片的光学图像图1，由图1可知本发明通过机械剥离法制备的二维InSe纳米片的尺寸和厚度呈现随机分布。选取尺寸在20-40微米、厚度在20-40纳米的InSe作为器件的沟道材料。图2是二维InSe 纳米片的原子力图像，如图2所示选取的InSe纳米片的厚度是25纳米。图3是制备的二维InSe力学传感器的光学图像，由图3可以得知该力学传感器具有很好的柔性。图4是二维InSe力学传感器在不同非轴向拉伸力作用下的电流变化曲线，由图4可以得知在非轴向拉伸力作用下电流显著增加，说明二维InSe具有很好的压阻效应。图5是电流相对变化值曲线，由此计算得到的二维InSe力学传感器的应变系数，高达40，进一步说明二维InSe具有很好的压阻效应。
将制备好的二维InSe力学传感器粘贴在手指上，如图6所示。将铜丝电极与半导体测试分析系统连接，对器件施加1V的偏压。然后反复弯曲手指，并实时采集器件的电学输出曲线，由图6可知该力学传感器对人体动作具有很好的灵敏度和稳定性。

Claims (10)

1.二维硒化铟力学传感器的制备方法，其特征在于该制备方法是按下述步骤进行的：
步骤一、将柔性基底依次用异丙醇、丙酮、乙醇和水中超声处理，用氮气吹干，待用；
步骤二、用Scotch胶带反复粘贴块体InSe材料至少5次，然后粘贴在经步骤一处理后的柔性基体上至少3小时，去除Scotch胶带后浸泡在丙酮中至少1小时，取出即可在柔性基底表面获得二维InSe纳米片；
步骤三、然后选择柔性基底(PET)表面上横向尺寸为(20-40)微米和厚度为(20-40)nm的二维InSe纳米片，用银胶固定金属掩膜版覆盖，然后在热台上焙烤，然后置于真空镀膜机中，真空条件下依次蒸镀金属铬和金电极，然后在金属金电极上两侧引出两根铜丝电极，最后浸没入PDMS中，加热使PDMS固化，即可得到柔性力学传感器。
2.根据权利要求1所述的二维硒化铟力学传感器的制备方法，其特征在于步骤二中用Scotch胶带反复粘贴块体二维InSe材料5～10次。
3.根据权利要求1所述的二维硒化铟力学传感器的制备方法，其特征在于步骤二中粘贴在经步骤一处理后的柔性基底上3～5小时。
4.根据权利要求1所述的二维硒化铟力学传感器的制备方法，其特征在于步骤二中在丙酮中浸泡1～2小时。
5.根据权利要求1所述的二维硒化铟力学传感器的制备方法，其特征在于步骤二中在热台上，在60～70℃条件下焙烤5～10分钟。
6.根据权利要求1所述的二维硒化铟力学传感器的制备方法，其特征在于步骤二中真空度为1×10-4Pa条件下蒸镀。
7.根据权利要求1所述的二维硒化铟力学传感器的制备方法，其特征在于步骤三中蒸镀金属铬电极的厚度控制在5～10纳米。
8.根据权利要求1所述的二维硒化铟力学传感器的制备方法，其特征在于步骤三中蒸镀金属金电极的厚度控制在30～40纳米。
9.根据权利要求1所述的二维硒化铟力学传感器的制备方法，其特征在于步骤三中加热使PDMS固化是在70～80℃的烘箱烘烤1～2小时。
10.二维硒化铟力学传感器的应用，其特征在于权利要求1-9任意一项权利要求所述方法制备的应用于二维硒化铟力学传感器用作电子皮肤器件。
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