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清華微納電子係任天令團隊在紋身式電子皮膚方麵取得突破

清華新聞網7月31日電 7月24日微納電子係任天令教授團隊在納米領域著名期刊《美國化學學會納米》(ACS Nano)上發表了題為《多層石墨烯表皮電子皮膚》(“Multilayer Graphene Epidermal Electronic Skin”)的研究論文。該器件實現了可定製的石墨烯電子紋身,具有極高的靈敏度,可以直接貼覆在皮膚上用於探測呼吸、心率、發聲等多重功能,未來在運動監測、睡眠監測、生物醫療等方麵具有重大應用前景。

清華微納電子係任天令團隊在紋身式電子皮膚方麵取得突破

圖1. 貼覆於人體與物體表麵的定製化石墨烯紋身

電子皮膚是一種重要的生物醫學傳感器,要求器件擁有好的柔韌性和可伸縮性、高靈敏度、好的貼合度和舒適度。石墨烯由於其出色的導電性和柔韌性,是電子皮膚的理想材料。但是將石墨烯更加舒適、美觀、穩定、可靠地貼合在皮膚表麵,從而采集各種生理信號仍然是一個亟待解決的問題。

任天令教授團隊基於激光還原石墨烯,將石墨烯與紋身相結合,模仿了電子皮膚的功能。可以通過電阻變化對皮膚表麵的微小形變進行監測。在圖形化的過程中,團隊在國際上首創了濕法剝離氧化石墨烯的新工藝,去除石墨烯氧化物,隻留存石墨烯,使得器件更加美觀,靈敏度更高,耐受更高的溫度。該項技術采用水轉工藝,襯底超薄,沒有穿戴不適感。此外,由於激光直寫可編程的優勢,石墨烯的圖案可以進行個性化設計。除了測量皮膚表麵的拉伸與壓縮,這種石墨烯的紋身還可以利用犧牲層工藝轉移到多種襯底上,例如樹葉,絲綢等等。通過貼附在口罩、手腕、喉嚨、人中等多個位置分別實現對呼吸,心跳,語音等人體信號的測量。測試者佩戴時並不會影響正常活動。器件在睡眠呼吸、語音等多方麵的應用潛力,未來如果普及可以讓人們隨時隨地了解自己身體狀況。

清華微納電子係任天令團隊在紋身式電子皮膚方麵取得突破圖2. 剝離工藝可以大幅度提高傳感器靈敏度以便於測量各種生理學信號

通過對於激光直寫石墨烯圍觀紋路的觀察與分析,任天令教授團隊建立了以石墨烯條帶為基元的裂痕理論模型,較好地模擬了應力引起的阻值變化過程。近年來,任天令教授致力於石墨烯器件的基礎研究和實用化應用的探索,尤其關注研究突破傳統器件限製的新型微納電子器件,在新型石墨烯聲學器件和各類傳感器件方麵已獲得了多項創新成果,如柔性石墨烯發聲器件、新型石墨烯阻變存儲器、光譜可調的石墨烯發光器件、石墨烯仿生突觸器件、可調石墨烯應力傳感器、仿生石墨烯壓力傳感器、極低功耗石墨烯鈣鈦礦阻變存儲器等相關成果,有多篇論文發表於《自然通訊》(Nature Communications)《先進材料》(Advanced Materials)《納米快報》(Nano Letters)《美國化學學會納米》(ACS Nano)等國際著名期刊。

微納電子係博士生喬彥聰等為文章的共同第一作者,微納電子係任天令教授及其團隊教師是論文的通訊作者,該研究成果得到了國家自然基金重點項目和科技部項目的支持。

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