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  近年來，“大數據”、“人工智能”逐漸成為發展熱點，柔性電子器件的研發也因此受到很高的關注度，壓力傳感器，是柔性電子技術的核心器件，在制備過程中，如何進行材料選擇及結構設計是壓力傳感器高性能化的關鍵問題。

  褶皺結構在自然界中廣泛存在，通常是因受力不均而產生的彎曲變形，如人體皮膚表面便存在大量的褶皺結構。

  近期，北京化工大學潘凱研究員與鄧建平教授合作，將褶皺結構引入壓力傳感器結構設計中，通過控制柔性基底的拉伸比等條件，成功制備出規則且具有連續梯度褶皺結構的柔性壓力傳感器。在壓力傳感器中引入褶皺結構的優勢在于：（1）能夠實現材料由二維結構向三維結構的轉變，提高材料的比表面積，增大活性材料間相互接觸作用的潛在空間性；（2）可以通過前期對彈性基底拉伸比率等條件的控制，優化材料的柔性及拉伸性能；（3）同時褶皺結構的獨特形貌，也更利于器件性能保持良好穩定性。故這種具有褶皺結構設計的壓力傳感器可表現出較高的靈敏度，良好的柔性及優異的穩定性，可以用于人體生理運動檢測，壓力定位檢測等多方面。

圖1 連續梯度褶皺結構的制備示意圖

  結合褶皺形成的特點，還進一步提出“連續梯度”這一概念，利用氧化石墨烯（GO）作為材料前驅體，通過控制柔性基底的拉伸比率及宏觀調控，成功制備具有梯度變化的規律性褶皺結構的石墨烯基復合膜。圖1所示是該種連續梯度褶皺的石墨烯基復合膜的兩種制備路徑，即褶皺結構排列方向與梯度方向平行或垂直。

圖2 連續梯度褶皺結構（褶皺結構排列方向與梯度方向平行）壓力傳感器形貌表征圖

圖3 連續梯度褶皺結構（褶皺結構排列方向與梯度方向平行）壓力傳感器性能及傳感機理圖

  圖2是路徑一所制備的連續梯度壓力傳感器結構表征。SEM圖中可明顯地看出褶皺結構排列方向與梯度方向平行的連續梯度褶皺結構，排列相對規則。進一步將GO前驅體還原后，獲得導電性優異且具有空腔組成的rGO褶皺，空腔結構的存在為傳感器穩定性及高靈敏度奠定了堅實的基礎。此壓力傳感器的作用機理如圖3所示，由于連續梯度褶皺的存在，傳感器會與平面本身存有一個角度，隨著施加壓力的改變，褶皺與電極的接觸狀態不同，接觸面積也隨之改變，使得傳感器在不同壓力范圍內，表現出相應的優良性能。

圖4 連續梯度褶皺結構（褶皺結構排列方向與梯度方向垂直）壓力傳感器制備示意圖

圖5 連續梯度褶皺結構（褶皺結構排列方向與梯度方向垂直）壓力傳感器微結構及傳感機理圖

  圖4是路徑二所制備的連續梯度壓力傳感器示意圖及結構表征，該褶皺結構排列方向與梯度方向相互垂直，與人體皮膚的構造非常相似，且將前驅體材料還原后，由于氣態物質的產生，褶皺表面形成了圓頂狀的微觀結構，rGO也發生層間膨脹，片層間間距增大。由于這兩種微結構的存在，不同壓力下褶皺結構存在的形態具有明顯差異，顯示出多級敏感性。如圖5所示，該壓力傳感器表現出四段式優異靈敏度。該工作已作為Back Cover發表于Nanoscale。

圖6 Back Cover

  以上相關成果文章鏈接：

  Wavelength-Gradient Graphene Films for Pressure-Sensitive Sensors 發表于Advanced Materials Technologies, 2018, 

  DOI: 10.1002/admt.201800363，潘凱研究員與鄧建平教授為共同通訊作者，第一作者為碩士研究生王銘銻、邱遠游。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/admt.201800363

  Skin-inspired flexible and high-sensitivity pressure sensors based on rGO films with continuous-gradient wrinkles 發表于Nanoscale, 2019,

  DOI: 10.1039/C8NR08503J，

  潘凱研究員與鄧建平教授為共同通訊作者，第一作者為碩士研究生賈進。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/nr/c8nr08503j