Mater. Horiz：一种非晶态Cr2Ge2Te6/聚酰亚胺双层箔

摘要：智能手表、电子纺织品和电子皮肤等可穿戴医疗设备作为减轻超负荷医疗系统负担的一种方式，特别是在新冠肺炎疫情之后，受到了广泛关注。这些设备可以监测人体的生物信号，以可视化当前的健康状态，并提供即将发生的危险的预警。然而，检测眼球运动、心跳和动脉压等非常小的运动需要

第一作者：Yinli Wang

通讯作者：Yuji Sutou

通讯单位：日本东北大学

DOI: 10.1039/D4MH00616J

背景介绍

智能手表、电子纺织品和电子皮肤等可穿戴医疗设备作为减轻超负荷医疗系统负担的一种方式，特别是在新冠肺炎疫情之后，受到了广泛关注。这些设备可以监测人体的生物信号，以可视化当前的健康状态，并提供即将发生的危险的预警。然而，检测眼球运动、心跳和动脉压等非常小的运动需要对低机械应变（≤1%）具有极高灵敏度的传感器，以便将这些生物信号转换为有形的电信号。压阻传感器因其高稳定性、高耐用性和低成本而被认为是实施可穿戴医疗器械不可或缺的。近年来，半导体材料的压阻性已经发展到纯金属的数十倍。此外，它们与微机电系统（MEMS）技术非常兼容，这使得小型化和精细电路的发展成为可能。然而，它们具有复杂的生产工艺，包括高温氧化和掺杂，这使得在熔点通常低于300°C的柔性基板上制造基于半导体的压阻层变得困难。此外，在微小的机械场下，半导体材料和纯金属的灵敏度相对较低，因此需要外部放大器电路和桥接电路来提取和稳定信号。

为了提高灵敏度，已经提出了基于结构变形电阻变化的应变传感器，如多单元器件、复合传感器和基于人工裂纹的传感器。多单元器件是通过电路设计提高灵敏度的最直接手段。然而，实现多单元复杂电路和功能材料是一项技术和经济挑战。复合传感器将具有不同形态的材料组合在一起，形成三维各向异性结构。向复合传感器施加力会改变内部结构，从而控制导电元件之间的接触并影响电阻。Wang等人提出了一种受柔性分层生物组织层启发的超薄分层纳米复合传感器，能够通过材料内界面分子链的可逆滑动检测人体的大多数生理活动。此外，纤维基复合材料因其良好的柔韧性、耐用性和适应性而被广泛用作可穿戴应变传感器。然而，复合材料在微电子器件中的应用可能受到其复杂制造工艺和微观结构不均匀性的限制。

基于裂纹的传感器是由于认识到裂纹是压阻材料电阻变化的关键因素而开发的。据报道，基于裂纹的压阻材料对弯曲肘部或手指等大运动具有高灵敏度。基于裂纹的传感器通常利用金属电阻膜，因为它们具有高导电性和简单的生产工艺。由于金属材料的塑性变形以及金属与聚二甲基硅氧烷基材之间的弱界面相互作用结合，在预拉伸过程后制备了金属断裂表面重叠的裂纹。因此，机械力可以改变断裂表面的连接状态并产生电阻变化。然而，由于金属具有良好的延展性，产生贯通裂纹需要较大的应变，这导致在大应变区域的应用受到限制，或者需要对裂纹进行预处理。此外，由于机械变形，金属的电阻变化很小，因为它完全由两个电极之间的距离变化决定。另一方面，可穿戴设备需要良好的可拉伸性和舒适性以方便日常佩戴，因此基材应柔软灵活。在电气工程中，聚酰亚胺薄膜通常用作柔性基材，因为它们具有优异的热稳定性、高玻璃化转变温度、低介电常数和良好的电绝缘性。

本文亮点

1. 本工作通过溅射在聚酰亚胺薄膜上沉积了非晶Cr2Ge2Te6薄膜，并研究了其压阻性能。

2. Cr2Ge2Te6/聚酰亚胺双层箔表现出优异的压阻性能，这可以从拉伸试验中出现的自愈裂纹和电阻变化测量中6万的巨大应变系数中得到证明。由于裂纹的自愈特性，电阻变化在特定应变范围内是可重复的。

3. 这种双层箔用于制造包括极其简单的电路的压力传感器，并将其部署在手腕上以监测动脉脉搏信号。

图文解析

图1. 非晶态CrGT/PI双层箔的机电评估。（a）拉伸试验的设置：（i）将薄膜和导线固定在拉伸试验机的绝缘夹具上；（ii）将箔放置在In薄膜上；（iii）在上面放置砂纸；（iv）夹具用螺钉固定。（b）由半导体参数分析仪、激光显微镜、拉力机和计算机组成的机电评估系统。（c）用于有限元分析的CrGT/PI双层箔的网格模型（d）通过有限元分析获得的箔在0.1 mm位移下的拉伸方向（顶部）应变和von Mises应力（底部）的轮廓图。

图2. 非晶态CrGT/PI双层箔在拉伸载荷下的电学行为。（a）阻力和载荷是拉伸位移的函数。（b）不同位移下的I-V扫描曲线。（c）基于I-V扫描曲线，阻力随位移而变化。（d）电阻变化是通过数字图像相关方法计算的应变的函数。（e）拉伸加载和卸载循环期间的滞后行为。（f）高达0.7%、0.9%和1.1%的小应变下的滞后行为的放大图像。

图3. 拉伸载荷下非晶态CrGT/PI双箔电阻巨大变化的机理分析。（a）左：原位XRD分析的实验细节，右：拉伸前后非晶CrGT/PI薄膜的XRD图谱和比较组。（b）拉伸前后非晶态CrGT/PI薄膜的拉曼光谱。（c）激光显微镜观察表面形态。（d）卸载不同应变后非晶CrGT/PI薄膜的表面和横截面SEM图像。（e）电阻变化和50 mm间隔内存在的裂纹数量作为应变的函数。（f）提出了非晶CrGT/PI双层箔在拉伸载荷下产生巨大电阻变化的机制。