【摘 要】
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密集纳米团簇渗流网络的导电能力对团簇面间距的变化高度敏感这一特性,可被用于构造多种传感器件。若采用柔性材料作为基底,纳米团簇渗流网络可以被用于制造新型的柔性力学传感器。由于在纳米团簇渗流网络中,电子输运同时还依赖于电子内能、隧道结的介电常数等,其电导对环境温度、湿度的变化亦会具有一定的响应。因此,基于密集纳米团簇渗流网络还能够获得多功能的柔性传感器件。随着智能终端的普及,可穿戴电子设备呈现出巨大的
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密集纳米团簇渗流网络的导电能力对团簇面间距的变化高度敏感这一特性,可被用于构造多种传感器件。若采用柔性材料作为基底,纳米团簇渗流网络可以被用于制造新型的柔性力学传感器。由于在纳米团簇渗流网络中,电子输运同时还依赖于电子内能、隧道结的介电常数等,其电导对环境温度、湿度的变化亦会具有一定的响应。因此,基于密集纳米团簇渗流网络还能够获得多功能的柔性传感器件。随着智能终端的普及,可穿戴电子设备呈现出巨大的市场应用前景。柔性传感器作为核心部件之一,直接决定了可穿戴设备的功能设计与未来发展。通过遍布全身的多功能传感设备,人们将尽可能多地获取各式各样的数据,以供分析和判断包括周围环境、运动健康、药物治疗等在内的信息。力学传感器,特别是压力与应变传感器在这些数据获取的过程中起着至关重要的作用。由于应用环境的特殊性,力学传感器要求应至少对包括触摸、温度等人体皮肤基本感知量作出响应,并进一步扩展到对气压、湿度、振动等更多的感知功能。近年来,可穿戴可植入的力学传感器领域取得了显著的进步。基于纳米技术的柔性可穿戴力学传感器具有尺寸小、轻薄便携、电学性能优异、集成度高、成本低、能耗小等特点,使其成为最受关注的柔性传感器之一。然而,实现柔性可穿戴力学传感器的高分辨、高灵敏、快速响应、低成本制造和复杂信号检测仍然是一个很大的挑战。将低维纳米材料与弹性基底耦合是当前构筑柔性传感器件的普遍方法。本论文采用以紧密间距耦合的方式排列于柔性衬底上的纳米团簇复杂导电网络构造力学传感器。论文实现了多种团簇点阵复杂网络、团簇点阵-柔性基底复合结构的制备方案,对团簇点阵复杂导电网络的电子输运特性进行了探讨,并制备出对应变、压力和温度变化具有高灵敏响应的传感单元,探讨了其在气压精确测量、多功能电子皮肤等方面的应用。论文的主要研究结果如下:一、通过团簇束流沉积将可控尺寸的金属团簇沉积至叉指电极上。将叉指电极接入微电流监控回路可实时监测纳米团簇薄膜电导的演变,并据此可以控制团簇在衬底上的沉积量,制备出电导精确可控的密集纳米团簇渗流网络。此外,通过调制到微米束径团簇束流的程控扫描沉积,在平行电极间可制备出覆盖率呈定向梯度分布的非均匀纳米团簇渗流网络。二、分析了沉积组装的纳米团簇网络的电导随温度的变化关系:随着温度升高,纳米团簇网络的导电能力有所增强,表明了电子在纳米团簇网络中的量子输运行为。电流-电压曲线的发展符合标度理论,显现出明显的非线性。由于库仑阻塞作用,使得在较低温度段的曲线存在阈值电压。纳米团簇网络电导随温度的变化关系证明了:在低温段,电子的输运模式以变程跳跃为主;而在高温阶段,电导随温度的变化关系更符合热激活隧穿模型。测量梯度纳米团簇网络的电流-电压曲线时,发现了电子输运的不对称性,即电子以较低纳米团簇覆盖区域指向较高覆盖区域方向运动时的电导要远高于反方向时的电导。三、由沉积组装的纳米团簇网络与不同高分子聚合物衬底复合而成的柔性传感单元,能够对触感压力、温度等刺激具有响应特性。随着所选择衬底的机械特性不同,传感单元所表现出的感应能力各不相同。采用杨氏模量较低的PDMS作为衬底的传感单元灵敏度最高可达21.3k Pa-1,且能够分辨0.5 Pa的微小压力,响应时间大约为33 ms。而采用PET薄膜作为衬底的传感单元灵敏度为0.25 k Pa-1,但是在上万次的重复性试验中仍然保持着稳定的响应能力。而传感单元的电导对温度的响应灵敏度约为0.00126 K-1,能够轻易分辨1 K以上的环境温度变化。在同一衬底上下表面对应位置组装传感单元,可以根据温度与触感压力导致同组内传感单元电导的不同变化趋势,分别解耦出温度与触感压力的变化,从而实现传感器的多功能化。将多功能的柔性传感器穿戴于身体表面,能够准确识别人体行为动作,并有效降低传感器对于触感信号的测量失真。四、将传感单元密封于一个参考空腔上可制备用于感应环境气压变化的传感器。当该柔性气压传感器以一层0.05 mm厚的PET薄膜作为衬底时,其灵敏度约为0.13 k Pa-1,分辨率约为0.5 Pa,响应范围约为0-1 k Pa。当以更厚的PET薄膜作为衬底时,传感器的灵敏度和分辨率都有所降低,但其测量范围更大。这种分辨率极高的气压传感器能够分辨不同楼层高度的环境大气压之间的差异,因此,气压传感器又可以制作成高度传感器。在作为高度传感器时,其灵敏度约为0.00026 m-1,能够分辨1 m的高度变化。
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