柔性可變柵極石墨烯場效應(yīng)應(yīng)變傳感元件的制備和性能研究.pdf

1、石墨烯作為一種具有高導(dǎo)電性、高可見光透明度、高柔韌性的二維材料備受關(guān)注，近年來，以石墨烯為核心功能材料制備的各種電子器件，以其特殊的電學(xué)性質(zhì)和卓越的形變耐受性，被眾多研究者應(yīng)用于多種生物電子傳感器、可穿戴式電子設(shè)備，與傳統(tǒng)電子器件相比具有性能卓越、工藝簡單、適應(yīng)性高等優(yōu)勢。
　　本文制備了柵極可變的柔性石墨烯場效應(yīng)應(yīng)變傳感元件，該元件通過在三維結(jié)構(gòu)的棱型陣列表面生長的單層石墨烯，將該石墨烯轉(zhuǎn)移至相同結(jié)構(gòu)的彈性體基體表面，以離子凝膠

2、為介質(zhì)層、旋涂銀納米線的熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)為柵極組裝而成。其利用柵極的移動改變柵極和石墨烯的有效接觸面積，改變場效應(yīng)溝道寬度實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變量的測量。本文主要包括以下內(nèi)容:
　　(1)采用光刻和化學(xué)刻蝕技術(shù)在硅片上制備出三維棱型陣列模板，在轉(zhuǎn)換出棱型陣列的柔性模板上采用電鍍的方法制備出棱陣列銅箔，采用化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法在銅箔上生長石墨烯，然后利用濕法轉(zhuǎn)移的方法將石墨烯轉(zhuǎn)移到PDMS襯底上面，以銀納米線作為柵極、離子凝

3、膠作為介質(zhì)層組裝成應(yīng)變傳感元件。
　　(2)采用拉曼光譜分別對CVD后石墨烯、濕法轉(zhuǎn)移后石墨烯和形變前后石墨烯進(jìn)行表征。石墨烯是單層石墨烯，濕法轉(zhuǎn)移和應(yīng)變傳感元件的組裝過程不會對其造成破壞。在形變實(shí)驗(yàn)過程中，48％應(yīng)變不會對應(yīng)變傳感元件造成嚴(yán)重破壞。
　　(3)文本對沿棱方向和垂直棱方向應(yīng)變傳感元件在不同應(yīng)變下進(jìn)行了應(yīng)變測試。該元件能夠承受最大應(yīng)變?yōu)?8％。沿棱和垂直棱方向不同形變下場效應(yīng)開關(guān)電流差值與形變量均呈線性增長。固

4、定柵極電壓時，垂直棱方向應(yīng)變小于36％時，場效應(yīng)電流與形變量呈指數(shù)增長，超過36％應(yīng)變后電流趨于飽和，最大電流變化率為8.5％;沿棱方向場效應(yīng)電流與形變量呈線性增長趨勢，最大電流變化率為12.7％。建立了棱單元理想結(jié)構(gòu)模型，對固定柵壓下形變與元件電流關(guān)系進(jìn)行理論模擬分析，詳細(xì)闡述了形變與該元件電流變化關(guān)系，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相符;利用Abaqus有限元模擬軟件對單個棱單元的形變過程進(jìn)行了模擬，分析了形變狀態(tài)下棱表面各點(diǎn)應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)這種幾何結(jié)構(gòu)