石墨烯周期性折叠及其在应力传感器件中应用研究获突破

2011-4-27 16:04 来源: 中国科学院
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  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)纳米物理与器件实验室张广宇研究组自2009年成立以来,一直把石墨烯纳米结构的可控加工及其输运性质的研究作为课题组的一个重要方向。石墨烯是近年来发现的一种两维结构材料,表现出独特的电学、力学、光学和其他新奇的物理特性。张广宇研究组在前期的研究中,利用自制的远程电感耦合等离子体系统,首次成功实现了石墨烯的可控各向异性刻蚀,得到了近原子级规则的Zigzag边缘结构,并利用这种干法刻蚀技术结合电子束光刻技术首次实现了对石墨烯纳米结构的精确加工和剪裁【Advanced Materials 22, 4014, (2010)】;首次在多种基底(半导体、金属、绝缘体等表面)上实现了纳米石墨烯薄膜的低温(~550C)直接生长,研究了薄膜的输运及光学性能【Nano Research 4, 315, (2011)】。

  最近,张广宇研究组又在石墨烯周期性折叠结构的加工及其在应力传感器件方面的应用研究取得了突破性进展,相关结果发表在【ACS NANO (2011)】。

  由于石墨烯特殊的二维结构,不仅表现出奇特的电学特性,而且具有很好的柔韧性,在透明导电材料和柔性电子器件方面具有潜在的应用前景。通常,石墨烯在PET和PDMS等柔性衬底上的附着力弱,靠范德瓦尔斯力相互结合。因此,当衬底发生较大的形变时,石墨烯很容易在衬底上发生滑移甚至断裂,这是因为石墨烯虽然具有很高的机械韧性,但在石墨烯面内是刚性的。为了解决石墨烯和衬底在较大应力加载时结合不牢固的问题,他们提出了一种新的石墨烯柔性器件的加工方法,即制作三维周期性折叠石墨烯结构,使石墨烯可以承受衬底材料较大的形变而不发生滑移或结构破坏。

  目前,对于在柔性衬底上加工周期性折叠石墨烯结构的研究工作还没有文献报道。他们采用了一种非线性折叠技术来加工石墨烯周期性结构,这种技术最早是Whitesides et al.在加工周期性硅薄膜褶皱结构时发展出来的,并在其它不同的材料上得到了推广。他们采用这种技术,首先把石墨烯转移到预先施加拉应力的PDMS柔性衬底上,然后通过释放PDMS上的应力,使石墨烯在PDMS恢复自然状态的过程中形成具有纳米周期的波纹状折叠结构。研究结果表明,得到的折叠石墨烯结构的周期和折叠幅度均受在PDMS上预施加应力大小的影响,也和石墨烯条带的宽度和层数有关。随着预先施加在PDMS上的拉应力的增加,得到的折叠石墨烯的周期和折叠幅度均会减小。另外,在窄的石墨烯条带上更容易得到规则周期性折叠结构。采用同样的加工方法,他们也在自己前期合成的纳米石墨烯薄膜上得到了周期性的折叠结构。

  结合微加工工艺,他们对PDMS柔性衬底上制作的机械剥离的石墨烯条带和合成的纳米石墨烯薄膜周期性折叠结构均引出电极,做成应力传感器,测试周期性折叠石墨烯的电阻随衬底的应力变化。结果表明,这种周期性的波纹折叠状石墨烯结构的柔韧性非常好,在PDMS衬底的拉伸形变大于> 30%时,石墨烯仍然表现出非常好的可逆形变。石墨烯的电阻随衬底的形变变化曲线表明,石墨烯的电阻和衬底的加载应力呈线性关系。可见,这种周期折叠石墨烯结构能够承受高强度的压应力和拉应力,是一种很好的应力传感器材料,可用于大量程的应力传感器。这种制作周期性折叠石墨烯结构的加工方法简单、工艺可控,为石墨烯柔性电子学器件和应力传感器的实际应用提供了一种确实可行的制作方法。

  该工作得到中科院“百人计划”、国家自然科学基金和“973”项目的支持。

  

图1 石墨烯条带转移到预先施加应力的PDMS衬底上,通过释放PDMS上的应力得到的周期性波纹状折叠石墨烯条带结构。

 

图2 (a) 周期折叠石墨烯应力传感器在不同加载应力下的I-V曲线。插入图是折叠前后的光学照片对照。带有两端电极的石墨烯条带整体转移到预加应力20%的PDMS衬底上,释放应力后得到了周期折叠石墨烯应力传感器。石墨烯条带折叠前的宽度是1.5μm,长度是22.8 μm。(b) 折叠的石墨烯应力传感器电阻随应力的变化关系。当应力从0变化到20%时,电阻从5.9 kΩ线性降低到3.6 kΩ。最小电阻3.6 kΩ为完全放松状态的石墨烯的电阻。对应应力传感器件的品质因子为-2。