湖南大學：ZnO納米線和石墨烯量子點的超靈敏聲波溼度傳感器

2020-09-09 材料分析與應用

成果簡介

柔性電子設備通常基於有機聚合物基底。本文，湖南大學Jianhui Wu等研究人員在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊發表名為&34;的論文，研究利用氧化鋅納米線（NWs）和石墨烯量子點（GQDs）複合傳感層，研製了一種柔性、透明、超靈敏的超薄玻璃基ZnO/玻璃表面聲波（SAW）溼度傳感器。

與文獻中報導的基於柔性聚合物的SAW器件相比，它顯示出更大的有效機電耦合係數和信號幅度。歸因於ZnO NW的大比表面積，GQD的大量親水官能團，以及GQD和ZnO NW之間的p–n異質結的形成，開發的ZnO /玻璃柔性SAW傳感器顯示出40.16的超高溼度靈敏度kHz /％RH，以及出色的穩定性和可重複性。這種柔性且透明的SAW傳感器在彎曲角度為30°的彎曲表面上時，溼度傳感和人體呼吸檢測已經被進一步證明用於可穿戴電子應用，使用完全無機材料的超薄玻璃基設備。

圖文導讀

圖1.（a）H 2 O分子在複合傳感層上的吸附機理示意圖。

（b）基於ZnO NW和GQD的SAW傳感器的製造過程示意圖。

（c）器件包裝在聚醯亞胺柔性印刷電路板（PCB）板上，並安裝在1毫米厚的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）上。

（d）用於溼度感測的測試系統的示意圖。


圖2.沉積在柔性玻璃基板和敏感複合膜上的ZnO薄膜的特性


圖3. 厚度為2.7μmZnO膜的柔性ZnO SAW器件的透射光譜（S 21，紅線）和反射光譜（S 11，藍線）與波長λ的關係：（a）λ= 20μm；（b）16微米；（c）12微米；（d）ZnO NW和GQD塗層前後SAW傳感器的典型透射光譜（λ= 12μm）。


圖4.（a）傳感器在彎曲狀態下的照片。（b）柔性溼度傳感器（λ= 12μm，D7）在未彎曲和彎曲的條件下以30°角的頻率偏移。

圖5.（a）腕上柔性SAW溼度傳感器和霧化器模擬環境溼度變化的實驗裝置示意圖。

（b）對于波長為16μm的柔性聲表面波傳感器，共振頻率偏移是環境中相對溼度的函數。

（c）用於手腕呼吸檢測的柔性聲表面波的實驗裝置示意圖。

（d）在SAW裝置波長為16μm的呼吸下經過五個循環後，柔性SAW溼度傳感器中的諧振頻率變化。


小結

總之，一種高度靈活且超靈敏的ZnO /玻璃SAW溼度傳感器，其中包含ZnO NW和GQD的複合敏感層。柔性SAW器件實現了3.5％的大有效機電耦合係數和45 dB的大信號幅度，比先前報導的相同配置的ZnO /聚合物SAW柔性器件高約400和180％。由於ZnO NW的比表面積大，GQD的大量親水性官能團以及在GQD和ZnO NW之間形成p–n異質結，因此複合傳感層可以顯著提高柔性SAW器件的靈敏度。所有這些都可以顯著增強水分子的吸附。超高溼度靈敏度為40。獲得具有優異穩定性和可重複性的16 kHz /％RH。進一步證明，當柔性SAW傳感器以30°的彎曲角度連接到彎曲表面時，它們的功能良好，而性能沒有明顯下降。最後，我們展示了可穿戴應用於溼度傳感和人體呼吸檢測，揭示了在人機互動（HMI）、空間定位和個人保健方面的潛在應用。


文獻：

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