石墨烯是由单层碳原子组成的六角晶格，是一种典型的二维材料。石墨烯兼具透明、导电、柔性、稳定等特性，在可穿戴的柔性电子学器件应用方面具有巨大潜力。应力传感器件是柔性电子学器件的一个重要分支。完美石墨烯是半金属或说是零带隙半导体，在面内具有极高的机械强度，这使得其在应力传感器件应用时主要面临两方面的困难：一是应力测量范围不大（<5%）；二是测量精度不够高（灵敏因子～2）。
　　针对这两方面的问题，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）纳米物理与器件实验室N07组博士生赵静等在导师时东霞研究员、张广宇研究员的指导下开展了以下两方面的工作：提出了一种石墨烯波纹结构应力传感器，使应力测量范围超过30%；设计了一种基于隧穿效应的纳米石墨烯薄膜应力传感器，使灵敏因子提高到500以上。这种高灵敏度的应力传感器所采用的石墨烯是利用实验室自行搭建的远程等离子体化学气相沉积系统直接沉积到衬底上。所生长的石墨烯具有纳米尺寸（几纳米到几十纳米）和准连续的特点。电流流经这些石墨烯片层是通过隧穿效应实现的。当外界施加应力时，由于隧穿距离的增大其电阻会有显著升高。通过调控生长条件，如生长温度、生长时间等，可以改变石墨烯片层的大小和形核密度，即改变片层之间的隧穿距离，从而可以调控石墨烯薄膜的表面电阻和灵敏因子。在实际应用中，可以根据需求选择不同表面电阻和灵敏度的准连续石墨烯来构造应力传感器。
　　这种准连续的纳米石墨烯薄膜还可以转移到柔性衬底上，制做柔性、透明的高灵敏度应力传感器，进而应用于人造电子皮肤等领域。这种柔性的应力传感器具有良好的稳定性，在经过大于万次的压力测试后其初始电阻没有明显变化；响应时间极快，只有几毫秒，远小于人类皮肤的响应时间（30-50 ms）；空间分辨率良好，器件之间的间距可以小到几微米。此外，这种石墨烯电子皮肤由于厚度小，可将其粘在手指上检测关节的活动；或者构造集成的器件阵列以对薄膜的表面应力分布进行实时测量。
　　这种基于石墨烯隧穿效应的应力传感器具有可拉伸、灵敏度高、稳定性强、透明等特点，其在人造皮肤、触摸屏等方面显示了巨大的应用潜力。这项工作得到了中科院先导（B）计划、国家自然科学基金纳米制造项目和“973”青年项目的资助。

文章链接: 
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[2] J. Zhao, et al., APL 101, 063112 (2012)
http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/101/6/10.1063/1.4742331
[3] J. Zhao, et al., Chinese Phys. B 22 057701 (2013)
http://iopscience.iop.org/1674-1056/22/5/057701?fromSearchPage=true
[4] J. Zhao, et al., ACS Nano 9, 1622 (2015)
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn506341u

图1. （a）人造电子皮肤。(b) 在不同生长温度下GF 随表面电阻的增加而增大。

图 2. (a) 10000次压力测试下的电阻实时变化图。(b) 石墨烯应力传感器的时间响应。

图 3. 电子皮肤的空间分辨率。

转载自http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/201504/t20150403_4332357.html