一種新型MXene/BP半導(dǎo)體薄膜基自供電柔性感知集成系統(tǒng)

柔性可穿戴設(shè)備在定制化人體健康監(jiān)測(cè)以及便攜式醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)展迅速，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)人體各種生理信號(hào)(心率、運(yùn)動(dòng)、聲音和體溫變化等)，能及時(shí)守護(hù)人體健康，極大地提升人類的生活質(zhì)量。然而，對(duì)于下一代生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的應(yīng)用來說，迫切需要具有長(zhǎng)巡航時(shí)間、高操作安全性和機(jī)械靈活性的可穿戴柔性傳感器系統(tǒng)。在不需要外部電源的情況下，對(duì)生理信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確、連續(xù)的檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)可穿戴電子產(chǎn)品優(yōu)化和快速發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。以上應(yīng)用不僅需要傳感器能夠準(zhǔn)確、連續(xù)地檢測(cè)生理信號(hào)，而且不需要龐大的連接線或外部電源的接入。自供電集成設(shè)備能夠?qū)⒁恍┉h(huán)境能量高效地轉(zhuǎn)化為電能，在為實(shí)現(xiàn)生物信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)的同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)多余能量的存儲(chǔ)，無需外部供能就能進(jìn)行持續(xù)的人體健康信息實(shí)時(shí)檢測(cè)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)柔性可穿戴設(shè)備存在的不足，為下一代生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的發(fā)展和真正實(shí)現(xiàn)柔性設(shè)備的便攜式長(zhǎng)續(xù)航應(yīng)用提供了新的思路。

最近，中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王麗麗副研究員和沈國(guó)震研究員與吉林大學(xué)等單位合作，設(shè)計(jì)了一種新型MXene/BP半導(dǎo)體薄膜基自供電柔性感知集成系統(tǒng)。該自供電柔性感知集成系統(tǒng)是由柔性壓力電子器件、激光直寫微型超級(jí)電容器和柔性太陽能電池構(gòu)成。其中微型超級(jí)電容器具有較高的能量存儲(chǔ)能力，用以驅(qū)動(dòng)柔性壓力傳感器工作，補(bǔ)償光照明的間歇性。不僅能夠在光照下工作，在黑暗的條件下也能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行，真正實(shí)現(xiàn)自供電柔性人體健康檢測(cè)功能(圖1)。該成果近期以題為“Flexible Self-Powered Integrated Sensing System with 3D Periodic Ordered Black Phosphorus @MXene Thin-Films”發(fā)表在Adv. Mater. (2021，2007890, DOI: 10.1002/adma.202007890)上。

圖1自供電柔性傳感集成系統(tǒng)應(yīng)用于人體監(jiān)測(cè)監(jiān)控

此外，王麗麗副研究員、沈國(guó)震研究員還提出了將MXene通過強(qiáng)的氫鍵與聚乙烯醇（PVA）相結(jié)合形成柔性半導(dǎo)體薄膜，來設(shè)計(jì)高度穩(wěn)定的電子皮膚。將該柔性電子器件應(yīng)用于活體小鼠實(shí)驗(yàn)中，研究結(jié)果顯示出良好的生物相容性和功能（圖2）。這項(xiàng)工作表明，使用電子技術(shù)重現(xiàn)皮膚的特征為未來的軟機(jī)器人和醫(yī)學(xué)修復(fù)提供了新的方向。該成果以題為“Highly-stable polymer-crosslinked 2D MXene-based flexible biocompatible electronic skins for in vivo biomonitoring”發(fā)表在Nano Energy (2021,84,105921.DOI //doi.org /10.1016 /j.nanoen.2021.105921)上。

圖2可植入柔性電子器件在活體實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

同時(shí)，該研究團(tuán)隊(duì)又實(shí)現(xiàn)了MXene材料在電子皮膚中的電極和活性層應(yīng)用通過真空過濾技術(shù)，在三維聚丙烯腈(PAN)網(wǎng)絡(luò)的頂面和底面集成幾層MXene電極，形成穩(wěn)定的電子皮膚。柔性器件性能優(yōu)于其他電極，具有出色的器件性能，高靈敏度為104 kpa-1，快速響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間為30/20 ms，低檢測(cè)限為1.5 pa。此外，該電極和構(gòu)造的基于MXene/PAN的柔性壓力傳感器表現(xiàn)出良好的機(jī)械穩(wěn)定性，并且可以經(jīng)受240次彎曲循環(huán)。這種堅(jiān)固、靈活的器件可以像拼圖或折紙一樣放大或折疊，并從2D結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為3D結(jié)構(gòu)（圖3）。該成果以題為“Controlled Assembly of MXene Nanosheets as an Electrode and Active Layer for High‐Performance Electronic Skin”發(fā)表在Adv.Funct.Mater.(2021,2010533, DOI: https: // doi.org / 10.1002 /adfm.202010533)上。

圖3可折疊柔性電子器件

基于以上研究成果，沈國(guó)震研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)邀撰寫了多篇基于柔性傳感器的人機(jī)交互系統(tǒng)、基于柔性電子皮膚的可穿戴植入/介入醫(yī)療器件的綜述論文，系統(tǒng)的介紹了相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢(shì)。部分研究成果發(fā)表在Adv. Funct. Mater. (2021, DOI: //10.1002/adfm.202008936)以及Adv. Mater. Technol.（2021, DOI: // 10.1002 /admt.202100107）等期刊上。

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