《ACS Nano》：新型石墨炔纳米薄膜用于超薄柔性皮肤传感

文章来源：高分子科学前沿

能够柔韧地贴合在人体表皮且可用于无创、特异性和多功能传感检测的薄膜电子元件是构建未来理想的可穿戴系统的重要部分，其可以附着在非平面且动态移动的物体表面，在测试人体微小形变和生理信号等，在对人体的实时健康监控和人机信息交互方面具有广泛的应用前景和科学研究价值。然而目前器件微结构的设计和新型材料的复合等改进方法依然存在性能缺陷，制备超薄的、具有良好贴合性的、且不影响人体皮肤真实触感的高灵敏传感器面临着很大挑战。

近期， 沙特阿卜杜拉国王科技大学Vincent Tung教授、韩宇教授和香港大学Lain-Jong Li教授等合作报道了利用化学气相沉积法制备新型超薄碳材料-石墨炔薄膜(Hydrogen-substituted graphdiyne, HsGDY)，并用于具有良好贴合性的柔性微电子传感器。该电子皮肤器件展现出对微小形变（压缩/拉伸）的高灵敏度、快速响应和耐久性，为开发下一代碳材料薄膜用于有机生物电子器件提供了新思路。该工作以“Graphdiyne-Based Nanofilms for Compliant On-Skin Sensing”为题发表在《ACS Nano》上 （doi:10.1021/acsnano.2c06169）。文章第一作者是蔡依晨和申杰。

图1：化学气相沉积法制备石墨炔纳米薄膜（HsGDY）

研究发现，单体分子1,3,5-三乙基苯(TEB) 在Cu111基板上可以耦合并横向生长，同时在垂直方向堆叠形成多层薄膜，因此形成了一种含有很多纳米晶粒以及导电网络的微观复合结构（图1）。这种导电的纳米共轭薄膜在微小形变下，内部的电荷跃迁会发生很大变化，因此具有很强的应变感知能力（图2）。

图2：HsGDY透明薄膜和其应变反应机理研究

研究者将该薄膜转移至超薄的PET基板上并研究了其电信号随机械响应特征，并制备了不同的传感阵列，器件在-2%-2%的应变范围表现出很高的灵敏度，同时具备快速的响应和恢复能力（60 ms）以及长期的耐久性和重复性（5000次循环）。将器件贴在人体皮肤上，由于其超薄的厚度（10 μm）和良好的贴合性，跟块状器件相比，其可以降低外界噪音，收集更多来自人体的生理信号，从而提高了器件信噪比。在应用方面，其可以用于检测和感知人类的面部微表情，手指按压幅度，监测人造血管的微小形变等。甚至将器件贴在鼻子下方，通过感应人体吸入和呼出气体温度的不同来反馈人体的健康和生理状况（图3）。

图3：器件对人体吸入和呼出气体的温度差异做出电信号反馈

该研究展现了一种可控的化学气相沉积法制备超薄导电的碳材料薄膜，这种薄膜具有类似人体皮肤的本征柔性，并且作者们将其成功制备成为贴合性很好的电子皮肤传感器。HsGDY薄膜内部纳米晶粒结构和导电网络使其具有独特的遂穿导电性，对于微小形变具有很强的感应能力。通过改变单体或者化学耦合方式，可以在分子水平上调节材料特性和传感能力，为下一代超薄生物电子提供了新的思路。