標(biāo) 題：低維度材料設(shè)計(jì)及柔性器件應(yīng)用
英文標(biāo)題：Design of Low-Dimentional Materials and their Applications in Flexible Electronic Devices
作 者：張洪健
指導(dǎo)教師：黃維 院士、朱紀(jì)欣 教授
培養(yǎng)院系：柔性電子研究院
學(xué) 科：材料學(xué)
讀博寄語：求真、務(wù)實(shí)
主要研究內(nèi)容
隨著人們生活質(zhì)量與對(duì)可穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備需求的提高以及物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和人機(jī)交互等科技水平的發(fā)展，能夠?qū)θ梭w生命體征信號(hào)采集、轉(zhuǎn)化與識(shí)別的可穿戴柔性電子裝置成為連接智能生物與非智能機(jī)械裝置的橋梁。與建立在堅(jiān)硬基底上的傳統(tǒng)硅基電子技術(shù)相比，雖然在器件結(jié)構(gòu)、組成材料和系統(tǒng)功能等方面區(qū)別較大，但是柔性電子系統(tǒng)卻可以與傳統(tǒng)硅基電子系統(tǒng)進(jìn)行無縫網(wǎng)絡(luò)連接。隨著世界信息化、生產(chǎn)數(shù)字化、生活智能化以及監(jiān)護(hù)日常化的發(fā)展，由柔性傳感技術(shù)為代表的可穿戴柔性電子設(shè)備必將給電子信息產(chǎn)業(yè)帶來革命性變化。皮膚作為人體最大的器官，在機(jī)體保護(hù)、新陳代謝和信號(hào)感知等方面起著非常重要的作用，皮膚可以感知應(yīng)力、壓力、溫度、濕度等物理信號(hào)，并可以將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸?shù)酱竽X中。受到皮膚的啟發(fā)，近年來新型柔性傳感器例如應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器和生理電信號(hào)傳感器等受到了廣泛的關(guān)注和研究，為人類的健康監(jiān)測(cè)、疾病診斷和智能機(jī)器人等發(fā)展提供了廣泛的前景。
其中，應(yīng)變傳感器可以同時(shí)檢測(cè)人體較強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)信號(hào)（如關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)）和較微弱的運(yùn)動(dòng)信號(hào)（如動(dòng)脈、血壓、呼吸、聲音等），在人機(jī)交互、智能機(jī)器人和醫(yī)療監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有極其巨大的應(yīng)用前景。同時(shí)，溫度傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)身體的體溫特征或環(huán)境的溫度變化，對(duì)未來遠(yuǎn)程智能醫(yī)療提供數(shù)據(jù)采集和分析。然而，由于傳感材料和器件結(jié)構(gòu)的限制，柔性力學(xué)和溫度傳感器仍然存在著亟需解決的問題，如檢測(cè)靈敏度低、工作范圍受限和穿戴舒適性差等問題，阻礙了其進(jìn)一步商業(yè)化應(yīng)用。基于以上背景，在西北工業(yè)大學(xué)博士論文創(chuàng)新基金資助下，本項(xiàng)目開展了以下研究：
（1）高性能釩基納米材料的可控制備與柔性應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)
首先提出了一種簡(jiǎn)便且經(jīng)濟(jì)高效的制備金屬性氣凝膠混合材料的原位合成策略，首次使用垂直排列的N摻雜碳納米管陣列修飾氮化釩納米片（VN/CNTs）。其中，氮化釩（VN）具有導(dǎo)電性高、形貌設(shè)計(jì)靈活和高比表面積的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于柔性設(shè)備非常有利。此外，結(jié)合VN和原位生長的CNT陣列構(gòu)建高導(dǎo)電三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提供了額外的電導(dǎo)率，從而有效促進(jìn)了重疊的納米材料之間的電荷輸運(yùn)，以達(dá)到提高靈敏度的目的。此外，通過高效、可控的脫氧-氮化策略，合成了高電導(dǎo)率的氧摻雜氮化釩（VNO）納米片。VNO材料的金屬特性和二維形貌，使其特別適用于制備高性能的可拉伸應(yīng)變傳感器。進(jìn)一步，基于釩基納米材料分別采用激光模板轉(zhuǎn)移法和覆膜轉(zhuǎn)換法制備了高性能柔性應(yīng)變傳感器，具有高的靈敏度、寬的檢測(cè)范圍、高耐用性和快速響應(yīng)。
圖1 柔性應(yīng)變傳感器的制備
（2）基于高性能柔性應(yīng)變傳感器的人體健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
所制備的柔性傳感器由于其具有高靈敏度可以用于檢測(cè)人體各種生理信號(hào)。首先是人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的大應(yīng)變信號(hào)，如手指、手腕、手肘、膝蓋等關(guān)節(jié)部位的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。此外還可以檢測(cè)人體生理活動(dòng)引起的人體皮膚震動(dòng)的微弱型號(hào)，如聲音信號(hào)、動(dòng)脈脈搏信號(hào)和呼吸信號(hào)。將柔性傳感器貼于人體的聲帶部位，可以清楚地區(qū)分不同的單詞以及不同的重音節(jié)，這為智能語音識(shí)別提供了可能性。將傳感器貼于頸部，可以識(shí)別來自不同個(gè)人以及相同個(gè)人的不同生理狀態(tài)的實(shí)時(shí)脈搏信號(hào)。此外，將傳感器貼于咽喉部位，通過檢測(cè)食道附近肌肉的運(yùn)動(dòng)，可以監(jiān)測(cè)人體的呼吸行為（如呼吸頻率等），用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)呼吸系統(tǒng)疾病，如哮喘等。此外，本工作研究的傳感器具有可穿戴舒適性，薄的導(dǎo)電傳感層有利于人體皮膚熱量快速消散，對(duì)于可穿戴的舒適性具有重要意義。
圖2 柔性應(yīng)變傳感器用于人體信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
（3）基于高性能柔性應(yīng)變傳感器的人機(jī)操控系統(tǒng)
本項(xiàng)目制備的柔性應(yīng)變傳感器在人機(jī)交互和人機(jī)操控的領(lǐng)域中顯示出巨大的應(yīng)用潛力。將傳感器固定在“智能手套”的手指關(guān)節(jié)處，即可通過信號(hào)采集電路和控制電路收集傳感器在人體手指彎曲過程中的電阻變化并將其轉(zhuǎn)換為傳輸至微控制單元的輸出電壓信號(hào)。隨后，微處理器控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致機(jī)械手指彎曲，可以使機(jī)械手準(zhǔn)確、快速地對(duì)人體的手勢(shì)作出實(shí)時(shí)響應(yīng)。此外，還基于該系統(tǒng)進(jìn)一步設(shè)計(jì)了基于柔性應(yīng)變傳感器無線操控智能車的應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控智能車定向移動(dòng)和避障，有助于開發(fā)人-機(jī)一體化的應(yīng)用于特殊作業(yè)環(huán)境的無線操控裝備。
圖3 柔性應(yīng)變傳感器用于人機(jī)操控系統(tǒng)
（4）基于“自控門”載流子器件的高靈敏可穿戴溫度傳感器及柔性傳感陣列
提出一種簡(jiǎn)單、高效的原位NiO/Ni異質(zhì)結(jié)“自控門”器件的制備技術(shù)，并將其應(yīng)用在高性能可穿戴溫度傳感器中。所制備的器件由于具有特殊的金屬-半導(dǎo)體-金屬結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出高效的電荷輸運(yùn)性能、優(yōu)異的導(dǎo)熱性能、靈敏的溫度傳感性能和超高的穩(wěn)定性能，適用于物體表面和人體溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，采用噴墨打印技術(shù)制備了基于高性能溫度傳感器的柔性溫度傳感陣列，可對(duì)空間溫度場(chǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)分辨和成像，在人機(jī)界面、智能醫(yī)療系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。
圖4 高性能柔性溫度傳感陣列
主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
（1）采用高效、可控的原位氨化方法制備了高性能釩基納米材料。基于該類材料，采用特殊的激光模板轉(zhuǎn)移法和覆膜轉(zhuǎn)換法制備了具有高靈敏度、高耐用性、快速響應(yīng)和穿戴舒適性的柔性應(yīng)變傳感器；
（2）將高性能柔性應(yīng)變傳感器應(yīng)用于人體健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)人體生理信號(hào)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，用于生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)和疾病預(yù)防；設(shè)計(jì)制備了無線人機(jī)操控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手對(duì)人體手勢(shì)的精準(zhǔn)快速識(shí)別，以及智能車定向移動(dòng)和避障功能，用于特種裝備的設(shè)計(jì)和開發(fā)；
（3）采用簡(jiǎn)便、高效的原位氧化方法制備了基于NiO/Ni異質(zhì)結(jié)的“自控門”載流子器件，并制備了高性能溫度傳感器和柔性溫度傳感陣列，成功實(shí)現(xiàn)人體溫度信號(hào)和空間溫度場(chǎng)的探測(cè)。
代表性創(chuàng)新成果
一、論文：
1. Hongjian Zhang, Wenqi Han, Kui Xu, Yu Zhang, Yufei Lu, Zhentao Nie, Yuhang Du, Jixin Zhu,* Wei Huang,* Metallic Sandwiched-Aerogel Hybrids Enabling Flexible and Stretchable Intelligent Sensor. Nano Letters 2020, 20 (5), 3449-3458. (一區(qū), TOP, IF=11.238)
2. Hongjian Zhang, Wenqi Han, Kui Xu, Huijuan Lin, Yufei Lu, Haodong Liu, Ruizi Li, Yuhang Du, Zhentao Nie, Feng Xu, Ling Miao, Jixin Zhu,* Wei Huang,* Stretchable and Ultrasensitive Intelligent Sensors for Wireless Human–Machine Manipulation. Advanced Functional Materials 2021, 31(15), 2009466. (一區(qū), TOP, IF=18.808)
3. Hongjian Zhang, Kui Xu, Yufei Lu, Haodong Liu, Wenqi Han, Yang Zhao, Ruizi Li, Zhentao Nie, Feng Xu, Jixin Zhu,* Wei Huang,* Robust self-gated-carrires enabling highly sensitive wearable temperature sensors. Applied Physics Reviews 2021, 8(3), 031416. (一區(qū), TOP, IF=19.162) (Featured Paper)
4. Hongjian Zhang, Yufei Lu, Wenqi Han, Jixin Zhu,* Yu Zhang,* Wei Huang,* Solar Energy Conversion and Utilization: Towards the Emerging Photo-Electrochemical Devices Based on Perovskite Photovoltaics. Chemical Engineering Journal 2020, 393, 124766. (一區(qū), TOP, IF=10.652)
二、專利
1. 張洪健，朱紀(jì)欣，盧宇飛， 一種可穿戴式溫度傳感器及其制備方法202110058998.0（發(fā)明專利）
2. 韓汶杞，朱紀(jì)欣，張洪健， 一種基于柔性應(yīng)變傳感器的機(jī)械手同步控制演示儀，CN213005283 U，2020（實(shí)用新型專利）
三、科技獎(jiǎng)勵(lì)
2021年全國柔性電子博士生學(xué)術(shù)聯(lián)賽 “西北賽區(qū)一等獎(jiǎng)”
