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1 μm!飛秒激光誘導MXene復合石墨烯
- 分類:新聞資訊
- 作者:
- 來源:
- 發布時間:2024-08-09
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【概要描述】 基于激光誘導石墨烯(LIG)的柔性傳感器廣泛應用于可穿戴個人設備,LIG的形貌和晶格排列是影響其在各種應用中性能的關鍵因素。北京信息技術大學尤睿、梁密生及華中科技大學王博等人利用飛秒激光誘導的MXene復合石墨烯(LIMG)用于通過將具有高自由電子濃度的2D材料MXene摻入LIG結構中來提高石墨烯的電導率。
1 μm!飛秒激光誘導MXene復合石墨烯
【概要描述】 基于激光誘導石墨烯(LIG)的柔性傳感器廣泛應用于可穿戴個人設備,LIG的形貌和晶格排列是影響其在各種應用中性能的關鍵因素。北京信息技術大學尤睿、梁密生及華中科技大學王博等人利用飛秒激光誘導的MXene復合石墨烯(LIMG)用于通過將具有高自由電子濃度的2D材料MXene摻入LIG結構中來提高石墨烯的電導率。
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- 發布時間:2024-08-09
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相關研究成果以“High-Performance Sensing Platform Based on Morphology/Lattice Collaborative Control of Femtosecond-Laser-Induced MXene-Composited Graphene”為題發表于《Advanced Science》。
可穿戴傳感器是一種小型設備,通常佩戴在皮膚附近或直接貼在皮膚上,用于監測和收集人體生理和生化參數的實時數據,在遠程健康監測、身體活動跟蹤、人機交互和實時生理信號監測方面具有巨大潛力。多功能、高性能的柔性可穿戴傳感器的發展增加了對敏感材料的需求。在涉及監測多種生理信號的場景中,對物理變化(如壓力和應變)和生化信號(如疾病標志物和蛋白質分子)都敏感非常重要。響應物理刺激需要改變材料的微觀形貌和孔隙率。響應生化信號需要改善材料的電性能并集成特定的敏感物質。因此,對敏感單元形貌及其電性能的協同調控和優化對于多功能可穿戴傳感器具有重要意義。
近年來,激光誘導石墨烯(LIG)因其快速圖案化、無掩模制造、原位合成和石墨烯基材料的經濟高效生產而被廣泛應用于柔性傳感器。因此,LIG顯示出巨大的前景,特別是在多信號傳感方面。LIG的3D多孔結構為化學反應和物理相互作用提供了大量的表面位點。此外,LIG與電解質、代謝物、激素和其他化學標記物相互作用會觸發電位、電流和電阻率的變化,從而能夠基于這些改變對分析物進行檢測和分析。特別是,可以通過調節激光加工條件來控制LIG的表面形貌、內部結構和孔隙率,為調節基于LIG的敏感單元的微形貌和電性能提供了一種直接可行的方法。
LIG用于各種傳感器,包括電化學傳感器和壓力傳感器。然而,由于LIG的晶格不規則和層間結構不連續,其電導率和載流子遷移率仍需改進。研究人員嘗試了各種策略,例如旋涂高導電性的MXene和銀納米線、電沉積納米顆粒以及激光誘導金屬前體溶液的二次還原,以制備復合LIG。然而,這些摻雜方法作為二次生產工藝,僅將摻雜材料沉積在LIG表面,并未穿透晶格,而且LIG的結合相對不穩定,為材料制備過程帶來了額外的不確定性。之前的LIG生產方法涉及長脈沖或連續激光輻照,由于聚合物薄膜在熱效應下高度不穩定,限制了微觀形貌和圖案分辨率的可控性。
飛秒激光誘導的MXene復合石墨烯(LIMG)的制造和表征
在本研究中,將MXene摻入聚酰亞胺前體溶液中,得到MXene混合聚酰亞胺薄膜。利用飛秒激光直寫工藝,制備了嵌入MXene晶格的多孔石墨烯。利用飛秒激光的低熱影響,成功通過在聚合物薄膜上直接激光寫入制備了最小線寬為1 µm的飛秒激光誘導MXene復合石墨烯(LIMG)。這種獨特的前體摻雜技術使MXene能夠在LIG的晶格內均勻摻雜,為載流子在缺陷密布的LIG晶格中的傳輸創造了穩定的環境。與原始LIG相比,LIMG顯示出增強的載流子遷移率和顯著改善的電導率,提高了兩個數量級,達到3187 Sm−1。
此外,還使用泵浦探測和LIBS技術研究了飛秒激光對LIMG微形貌的影響和控制。通過晶格摻雜和微觀形貌的協同優化,建立了具有出色電化學、壓力和應變傳感能力的LIMG材料平臺。成功開發了一種用于檢測尿酸的高靈敏度電化學傳感器,其最低檢測限為2.48 µM。壓力傳感器具有寬檢測范圍(0-200 kPa)、高靈敏度(0.15 kPa−1)和良好的耐用性(能夠承受1000次循環測試),而彎曲傳感器則表現出最佳檢測范圍和超過1000次循環的耐用性。這些傳感器可以監測各種生理信號,例如語音、脈搏、手指運動和膝關節運動,使其有望用于人體健康監測和人機交互應用。
信息來源:Carbontech
石墨烯在新能源汽車鋰離子電池負極材料中的應用
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