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近日，美国宾汉姆顿大学Jeffrey M. Mativetsky教授团队以纸为基底，通过浸渍聚(3,4-乙撑二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT/PSS）溶液，简便实现了具有卓越性能稳定性的新型力学传感器的制备。基于纸张本身的多孔微结构，在压力刺激下通过层间接触面积的变化调节器件导电电流，从而实现外界应力刺激的捕捉与反馈。

在纸张表面沉积PEDOT/PSS溶液改性，纸张表面多孔结构能够基本保持不变且表面呈现蓝色。通过将多张改性纸张叠加构筑层状功能器件，性能测试表明：层状器件在压力刺激下产生较明显的导电电流变化，响应速度低至20 ms；同时30,000余次的压力循环测试后力致电流变化只衰减4.6%，表明其具有卓越的性能稳定性。

采用导电原子力显微镜（CAFM）对纸基传感膜压力传导机理进行原位分析：对于单层纸基功能膜其在（5 ~160 nN）压力作用下，其电流变化幅度仅有13%；而双层纸基膜在相同压力作用下，电流变化捕捉分辨率提升3倍；上述结果表明AFM探针压力刺激下纸基功能膜层间形成局部接触点是器件高灵敏度的关键。同时，随着施加应力的增大，纸基膜层间接触面积及器件导电性逐步增加。

外界施加应力与体系导电性能定量分析显示：3-12 nN应力范围内器件电阻显著下降，之后器件电阻随应力变化幅度放缓；基于纸基改性功能膜结构进行分析表明，层状纸纤维表面附着的PEDOT导电区域在压力作用下接触面积的有效增加最终赋予层状器件高灵敏度。

此外，该纸基功能膜的优异柔韧性，使得基于单张功能膜可通过多次折叠实现高性能传感器件的构筑。随着折叠次数的增加，器件所呈现出的电流变化幅度呈现逐步提升趋势，多层膜结构器件性能变化类似。

同时，纸基功能膜器件的可折叠性，使其三维折纸结构体系亦能够实现应力监测、应力分布捕捉以及折纸结构构型变化监测与反馈等多种力学传感应用。

在实际工业化应用方法，基于浸渍工艺的简便及普适性；该纸基功能膜能够实现低成本的大面积制备。同时，大面积（如8 cm × 8 cm）纸基功能膜其仍能保持优异的力学传感性能，电流开/关比率仍可维持高达695。

本研究成果利用廉价、可降解的纸张为基底，浸渍修饰导电材质后通过应力刺激下层状膜间局部导电接触区域的形成，实现了高性能压力传感器的构筑。基于纸基底的优异柔韧性，结合不同导电性材质表面修饰，该新型柔性功能膜材料构筑策略可进一步拓展至晶体管、发光二极管、热传感器以及湿度传感器等不同应用领域。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点击查看原文https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b06071）：

Paper-Based Mechanical Sensors Enabled by Folding and Stacking
Tong Yang, Jeffrey M. Mativetsky
ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, DOI: 10.1021/acsami.9b06071


来源：X-MOL