黑磷烯电学与力学特性在柔性压力传感器中的应用探索.pdf

摘要 摘要 随着可穿戴设备的发展，柔性压力传感器在医疗诊断、机器人制造、电子皮肤等 应用领域有很大的应用前景，其中电容式柔性压力传感器具有灵敏度高、器件构造简 单、动态响应性能好等优点，得到国内外学者的广泛关注。新型二维材料在力学、热 学、电学、光学等特性上展示出的极大的优势，正在成为带动行业跨越式发展的新动 力，使用二维材料作为新型敏感元件材料，极有可能在柔性传感器领域取得重大的进 展，获得事半功倍的效果。黑磷烯是继石墨烯之后出现的一种新型原子厚度的二维材 料，研究证明其带隙及材料特性受电、力、光等调控，本文基于密度泛函理论仿真了 黑磷烯的带隙及静态介电常数与材料应变之间的关系，设计并制备了一种电容式柔性 压力传感器。该传感器以PET 为柔性基底，ITO 为电极，黑磷烯/氧化石墨烯薄膜为复 合介质层。本文系统地测试了该传感器在不同压力范围内的灵敏度，线性度等性能， 分析了其温度特性、重复性以及响应速度，并且与基于氧化石墨烯单层介质层的传感 器在不同应变下的性能进行了比较。总的来说，本文研究内容主要分为以下几点： （1）通过Materials Studio 软件的CASTEP 模块仿真了黑磷烯的带隙以及静态介 电常数在材料形变下的变化规律，由仿真结果可知，黑磷烯的带隙可由应变调控，甚 至发生半导体到导体的转变；同时，黑磷烯的静态介电常数随应变的增大而增大。基 于黑磷烯的静态介电常数可由应变调控的特性，创造性地提出了黑磷烯与氧化石墨烯 层状复合的介质层，并且分析了这种层状复合介质层的等效介电常数模型。 2 （）通过实验制备了基于黑磷烯和氧化石墨烯复合介质层的电容式压力传感器， 并且测试和分析了该传感器的各项性能。传感器的电容变化符合平行板电容模型，电 容输出量主要受极板间距和有效介电常数影响。该传感器在0-2.5kPa 量程范围内灵敏 -1 度可达1.28kPa ，压力的总测量范围为0-25.0kPa，同时还具备线性度好、温漂小、重 复性高、响应时间短 （小于300ms）等优点。 （3）比较不同弯曲应变下，基于纯氧化石墨烯介质层和复合介质层的电容式压力 传感器的输出性能，理论研究表明，形变越大，黑磷烯的静态介电常数越大，复合介 质层的有效介电常数也会增大，故基于复合介质层的传感器输出电容变化率明显大于 基于纯氧化石墨烯介质层的传感器输出电容变化率，测试结果也证实了这一点。通过 实验，本文证明了黑磷烯作为电容性压力传感器介质层的可行性和优越性。 4 （）将本论文设计的基于黑磷烯与氧化石墨烯复合介质层的电容式压力传感器应 用于肢体监测，测试结果表明：该压力传感器能够灵敏地测知人体的不同动作，并且 输出的电容稳定，波动较小，有望用于电子皮肤、医疗诊断等领域。 通过上述研究可知，黑磷烯可以作为一种介电材料应用于柔性电容式压力传感器， 而且所制备的压力传感器各项性能优异，在可穿戴领域的应用前景广阔。 关键词：黑磷烯，氧化石墨烯，柔性压力传感器，复合介质层 I Abstract Abstract With the development of wearable devices, flexible pressure sensors have great application prospects in medical diagnosis, robot manufacturing, electronic skin, and other applications. Flexible capacitive pressure sensors have high sensitivity, simple device structure, and good dynamic response performance. The advantages have been widely concerned by scholars at home and abroad. The great advantages of the