近日，山西大學激光光譜研究所陳旭遠教授和王梅教授等人在《acs applied materials & interfaces》上發(fā)表文章《vertical graphene canal mesh for strain sensing with a supereminent resolution》，報導了一種基于三維豎直石墨烯(vertical graphene, vg)的超低檢測限應變傳感器。
微應變傳感器的發(fā)展為微型機器人、智能人機交互、健康監(jiān)測和醫(yī)療康復等眾多領域提供了廣闊的前景。高分辨率的柔性應變傳感器可廣泛應用于多種柔性可穿戴電子設備中，有助于提升設備探測靈敏度并保證親膚性。目前，已有諸多活性材料在柔性傳感器中展示了良好的應用效果，如碳納米管、銀納米線、mxene等。但是具有極高分辨率的柔性應變傳感器仍然是應變傳感器研究中的一項挑戰(zhàn)。
作者通過設計三維石墨烯微觀和宏觀結構制作了網(wǎng)狀結構的應變傳感器(vgcm)，使其在0-4%的總應變范圍內實現(xiàn)了低至0.1‰的應變精確響應，獲得了極高的分辨率。同時通過實驗驗證及理論模擬揭示了vg在應變過程中微裂紋的演化規(guī)律和電阻變化機理。
圖1 基于vgcm的應變傳感器制備過程及vgcm的sem圖像
此工作以銅網(wǎng)為模板，利用等離子化學增強氣相沉積法在銅網(wǎng)上生長了vg。利用化學刻蝕去除銅網(wǎng)后獲得中空網(wǎng)狀vgcm結構。這種網(wǎng)狀結構使得拉伸應力集中，增強了應變過程中的電阻變化，實現(xiàn)了對低至0.1‰的微小應變的高分辨響應。
圖2 拉伸過程中的應力分布示意圖
有限元模擬展示了vgcm在拉伸過程中的應力分布。結果顯示vgcm的中空管道結構使得應力集中分布在管狀vgcm的頂端和底部。同時，三維石墨烯豎直結構也會導致應力在豎直結構之間形成集中。
圖3 vgcm傳感器傳感原理圖；vgcm應變中的sem圖像；vg和2d石墨烯應力分布模擬圖
進一步通過實驗驗證了在拉伸情況下，應力集中產生裂紋且主要分布在中空管道頂端和底部。裂紋的產生加速了電阻的增加，從而提高了vgcm的靈敏度和分辨率，與模擬結果完全吻合。vgcm傳感器利用了三維石墨烯的微觀結構和網(wǎng)狀的宏觀結構的協(xié)同作用，使得應力集中，增大了電阻在拉伸過程中的變化，賦予了vgcm傳感器卓越的分辨率和良好的應用前景。