基于石墨烯的大变形传感器研发

基于石墨烯超大变形传感器设计构想基于石墨烯超大变形传感器设计构想摘要：结构健康监测领域对大变形传感器的需求越来越紧迫，石墨烯作为能够承受超大变形的新兴半导体材料，在传感器领域有很大的潜力，本文对石墨烯在传感器领域的应用思路做了探讨，并准备实验考查验证石墨烯机电耦合现象，并提出以石墨烯为电极，基底为电介质的电容器作为机电耦合元件，探讨验证电容参量和应变参量变化关系，为石墨烯大应变传感器提出一种新的思路。关键字：石墨烯，大变形传感器，电阻，电容，应变。正文：自2004年Geim小组通过微机械剥离法获得单层石墨烯以来，石墨烯因为其优异的力学和电学性质，已经被越来越多的科研工作者提及并研究，自2004年至2011年底，有WebofKnowledge统计出石墨烯相关论文达到10000篇，且以3000篇/年的速度迅速增加，至今已有很多重要成果面世。本文主要讲述基于石墨烯的变形传感器的研究开发现状，以及未来可以加以探索的方向。石墨烯是由单层碳原子构成的二维六边形点阵结构，但并不是一个完全平整的二维薄膜，而是有大量的微观起伏在表面上，石墨烯正是借助这种方式来维持自身的稳定性。单原子层结构的石墨烯是世界上最薄的物质，平均厚度仅约为0.34nm；又是最硬的物质，杨氏模量达到1TPa，断裂强度为，是钢的200倍，同时具有极高的硬度，可达，弹性常数为，理论比表面积值达到，具有很高的电荷迁移率；这些性质使得石墨烯成为很好的力学传感器材料。目前，石墨烯制备的方法主要分为物理方法和化学方法，其中，微机械剥离法成本低、操作简单，但所得到的石墨烯规模小且不均匀，不能大量制备；美国科学家Ｒｕｏｆｆ及其小组利用化学气相沉积法（CVD）直接在金属薄膜（常用铜）上生长石墨烯，可相对简单地制备出单层石墨烯，CVD法在铜片上宏量制备石墨烯已取得突破性进展，与工业卷对卷制备工艺结合起来实现大面积制备和转移石墨烯，目前利用CVD法制备的石墨烯最大面积可达30，并且层数可控，此方法对是目前公认最有前景的石墨烯制备方法；其他合成方法还有SIC外延生长法，化学氧化还原法，电化学法，模板法，CO还原法。以石墨烯为材料构建大变形传感器的思路有两条：1.气象沉积PET基底石墨烯测量大应变及界面滑移的基本思路与原理。1)利用电阻变化率与石墨烯片应变之间的关系测量大应变对于单层石墨烯材料，其电阻微分表达式为：dRR=dρρ+dLL−dSS（1）当其受到长度方向X轴拉应力作用时，延X轴产生应变为εx，其宽度方向Y轴相应产生应变εy=−μεx。由于石墨烯只有一层碳原子厚度，所以厚度h不变，即截面积变化与厚度h无关。将εx=dLL，−dSS=−daa=μεx，带入（1）式，可得其延X轴电阻变化率与X轴应变的关系为：dRxRx=（+μ）εx⁄+dρρ⁄（2）其中，μ=.7为石墨烯的泊松比。图1拉应变下单层石墨烯的变形文献[1]指出电阻率ρ与材料能带结构计算出的费米速度Vf的平方成反比，用微分形式表达为：dρρ⁄=−dVf/Vf（3）文献[2]假设延X轴方向是石墨烯的扶手方向，通过扶手方向应变对石墨烯能带结构影响计算出：dVf/Vf≈-0.62εx（4）将（3），（4）带入（2）式可推出在此假设下X方向的电阻率变化率与εx成线性关系，灵敏系数k=2.4：dRxRx=（+μ）εx⁄+×.εx=.εx（5）图2石墨烯的扶手方向与单轴（X轴）拉应变方向相同以上的理论计算公式是在两个假设基础上推导出来的：一是所使用的石墨烯是单层的连续的，原子排列完全重复六边形网状结构。二是取石墨烯的扶手方向与单轴（X轴）应变方向相同，锯齿方向与Y轴方向一致，泊松比取0.17。实验所用的1cm×cm的PET基底石墨烯，是利用气相沉积的方法，在铜基底上生长出石墨烯，再转移到PET基底上的。铜基上生长的石墨烯是由很多石墨烯单晶片组成的，石墨烯单晶片的尺寸在10um×10um。各单晶片大小、形状、取向都不近相同，单晶片之间还存在重叠，整体形成一片石墨烯，其单层度可以通过拉曼光谱来表征。在转移过程中，要使用化学试剂，虽然最后要经过去离子水洗涤，但难免也会在石墨烯表面吸附一些杂质，同时石墨烯会产生一些褶皱。图3转移PET基底石墨烯片由许多单晶片构成这些问题导致实际的石墨烯器件的力电性能与理论计算会有不同。根据文献，这些不同具体表现为：一是在较小应变下（小于2%），石墨烯片电阻变化不明显。二是由于制备上的差异，不同实验研究得到的在大应变下石墨烯应变传感的灵敏系数有很大差异。根据文献[3],[4]，我们实验预期的电阻变化率与应变之间的关系如图4所示：图4预期的电阻变化与应变对应关系2)利用电容变化率与石墨烯片应变之间关系测量大应变图5基于PET基底的石墨烯电容式应变传感器构想如图将两块PET基底石墨烯片对心粘贴在一起，或者直接在PET正反两面都转移上石墨烯再进行裁剪，由于石墨烯本身导电作为电极，中间的PET绝缘作为电解质，则整个器件结构形成电容器形式。可以在石墨烯边缘涂覆导电银漆再焊接导线，通电后即可测量其电容大小。而且PET本身就是做微型电容器的电介质，可承受的击穿电压较大。由电容器电容公式：C=ϵS∕πkd（6）其中：S为上下两层石墨烯极板的正对面积，d为PET薄膜厚度，ϵ=.为PET材料的介电常数，k=9.×9为静电力常数。当器件受到拉应力作用或者随待测表面发生协同变形时，石墨烯电极的面积S发生变化，两石墨烯之间的距离d，即pet层厚度发生变化。则电容器新的电容：C′=ϵS‘∕πkd’（7）电容变化率可以表示为：ΔC∕C=(C′−C)∕C（8）图6石墨烯电极的正对面积发生改变将S‘=（+εx）L×（−εxμ）a，d’=（−εxμ）d，μ=.7为石墨烯的泊松比，μ=.9为PET材料的泊松比带入（8）并化简，可得：ΔCC=−μεx+(−μ+μ)εx(−μεx)=−.7εx+.8εx(−.9εx)在matlab上分别取应变εx区间为[0，2],步长为0.0005；区间为[0，0.25],步长为0.0002，画出ΔC/C与应变εx的函数图如下：图7应变区间0~200%图8应变区间0~25%从函数图像可以看出当应变达到200%时，函数图像为二次型曲线。而在较小应变范围内（%）传感器的线性度很好。线性回归后，传感器的灵敏系数k≈.。图9excel线性回归结果取元件的石墨烯电极正对面积为1cm2，PET层厚度为0.05mm，粗略计算石墨烯电容器件的电容：C=×.（⁄×.×9.×9××5）=PF由于待选择的电容测试仪器的精度为0.01PF，可以计算出应变传感器的最小分辨率为：.÷÷.≈uε由于购买的原材料的PET基底厚度一定，所以只有增大石墨烯电极的面积使传感器电容增大，来提高传感器的最小分辨率。总结：以上是所有实验内容，通过购置仪器和材料，进行实验，相信会对石墨烯在大变形传感器领域的应用前景有一个明确的判断，为下一步前近思路指明方向。参考文献：1．SimonLaflamme,HussamS.Saleem.SoftElastomericCapacitorNetworkforStrainSensingoverLargeSurfaces.Mechatronics.IEEE/ASMETransactionson2013.102.ZhaoJing(赵静),ZhangGuang-Yu(张广宇),andShiDong-Xia(时东霞).Reviewofgraphene-basedstrainsensors.Chin.Phys.BVol.22,No.5(2013)0577013.JingZhao,CongliHe,RongYang,ZhiwenShi,MengChengetal.ltra-sensitivestrainsensorsbasedonpiezoresistivenanographenefilms.Appl.Phys.Lett.101,063112(2012);4.梁爽,赵孝文,王刚毅.石墨烯的制备及应用进展.黑龙江科学第4卷第3期2013年3月5.XuesongLietal.Large-AreaSynthesisofHigh-QualityandUniformGrapheneFilmsonCopperFoils.DOI:10.1126/science.11712456.蒋圣伟,师帅.石墨烯压力传感器的研究进展.微纳电子技术第５０卷第７期y=1.2595x-0.0034R²=0.9997-0.100.10.20.30.400.10.20.3