一般来说,柔性电子器件的制备有两种途径。一种是以斯坦福大学Zhenan Bao教授和东京大学Takao Someya教授为代表的研究组,他们选择有机、碳纳米管等材料直接实现了柔性电子皮肤和传感器的应用。在国内,南京工业大学的黄维院士领衔的研究团队在发展如太阳能电池、LED、存储器等有机柔性电子器件处于领先。然而,基于有机材料的柔性器件可弯曲,但性能由于材料的限制而很难进一步提高。
而传统无机电子材料有着很高的工作性能,不过常见的无机材料如硅、金属薄膜并不可拉伸,机械性能差,以美国UIUC的Jhon Rogers教授研究组为代表的科学家实现了柔性电子器件的另一重要途径。在这个研究方向中,通过巧妙的力学结构设计,把无机材料薄膜(如硅、砷化镓半导体及金属连线)集成于超级柔软可拉伸的弹性体基底,能够得到多功能跟人体结合性能很好的传感系统,实现了许多常规刚性电子器件无法比拟的应用。代表性的有电子皮肤,如皮肤温度、肌电信号传感器[1-3],检测心脏电信号,酸碱度以及搏动导致的应变[4,5],置于大脑的电子传感器与电刺激治疗[6],以及仿生电子眼等[7,8]。在国内,2015年由清华大学冯雪教授负责的973计划“可延展柔性无机光子/电子集成器件的基础研究”实现了基于无机柔性电子器件的无线温度传感,呼吸监测,血氧测量等应用。这些柔性器件对于医疗,运动,军事领域的应用极为重要,目前国际研究热点正在着力进一步提高完善这个领域的材料应用,器件设计等,而新型二维材料由于其特殊的电学性质及力学性质,是有着较大潜能能够提高和完善柔性器件性能的材料之一。
以石墨烯为代表的二维材料具有单个原子层的极限厚度,并且展现出优异的电学、光学、力学等特性,是目前广泛关注的一类新型信息材料。其巨大的比表面积对环境中化学成分的变化极其敏感,单层石墨烯的化学传感器甚至可以达到单分子检测的灵敏度。同时,利用不同的表面化学修饰方法,可以对不同的标记物实现传感。另外,石墨烯具有优越的力学性质,杨氏模量约为1Tpa,相比易碎和承受应变有限的半导体和金属体材料,石墨烯可承受的弹性形变接近20%。所以本课题结合石墨烯和柔性器件设计初步得到汗液重要指标的检测传感器件,采用在单层石墨烯上嫁接葡萄糖氧化酶和乳酸氧化酶,可分别检测汗液的重要指标葡萄糖和乳酸,并通过独特的器件结构设计,得到适合人体皮肤表面的柔性传感器件。
1。1石墨烯的发现
当人们将目光集中在富勒烯、碳纤维、碳纳米管等材料的研究中并不时为大家带来惊喜的同时,碳家族又添新成员——石墨烯(Graphene)。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道互相连结构成的只有一个碳原子厚度的二维材料,是一种六角形、呈蜂巢晶格的平面薄膜。石墨烯层与层之间由范德华力、π-π堆垛力等互相作用形成的晶体即是石墨,但单层石墨烯的制备,难度是十分大的。早在1934年,Peierls就提出准二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性,在室温环境下会迅速分解。1966年,Mermin和Wanger提出Mermin-Wanger理论,指出长的波长起伏也会使长程有序的二维晶体收到破坏。因此,二维晶体石墨烯只是作为研究碳质材料的理论模型,一直未收到广泛关注。然而,Novoselov[9]等人于2004 年用微机械剥离的方法成功地制备了单层石墨烯,且该物质被证实可在外界常温常压的环境中稳定地存在。由此,历来被公认的,自由态的石墨烯不可能在常温常压下稳定存在这一观点顿时被推翻。Novoselov的结果震惊了科学界。而自从英国曼彻斯特大学的两位科学家,Andre Geim和Konstantin Novoselov因在石墨烯方面的卓越研究而被授予2010年诺贝尔奖,从此石墨烯的优异性能引起了科学工作者的广泛关注,科学界仿佛看到了一扇新世纪的大门,对石墨烯各性能及应用的研究也开始如雨后春笋般出现。文献综述