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  可穿戴的多重物理傳感可應(yīng)用于檢測多種物理刺激（如機(jī)械變形和溫度變化），因此被認(rèn)為是構(gòu)建電子皮膚的關(guān)鍵部分。設(shè)計(jì)用于模擬人體皮膚功能的可拉伸物理傳感器的關(guān)鍵要求是能夠在不受干擾的情況下同時(shí)監(jiān)測和分離多個(gè)物理刺激，這些來自人體的物理刺激可以為健康監(jiān)測提供豐富的生理信息。當(dāng)這些傳感器集成到電子皮膚是，則對性能有更高的要求。例如，溫度傳感器除了需要高的分辨外，還需要在承受大的拉伸應(yīng)變并具有高的應(yīng)變傳感靈敏度，以準(zhǔn)確檢測微小應(yīng)變和大應(yīng)變。因此，為了使設(shè)備能夠監(jiān)測人體運(yùn)動(dòng)和健康，可拉伸溫度和應(yīng)變雙參數(shù)傳感器應(yīng)能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行傳感，同時(shí)在較大的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)（>50%應(yīng)變），以高溫度檢測精度（<0.5℃）和高靈敏度（GF>100）區(qū)分溫度和應(yīng)變刺激。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，對不同類型的信號進(jìn)行無串?dāng)_的采集和處理仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

  近日，南開大學(xué)梁嘉杰教授團(tuán)隊(duì)報(bào)告一種可印刷及可拉伸的導(dǎo)電-熱電納米復(fù)合材料，來構(gòu)建具有多級層次結(jié)構(gòu)的“應(yīng)變-溫度”雙參數(shù)傳感器。在這種分層傳感結(jié)構(gòu)中，碲納米線（TeNWs）與導(dǎo)電的2D碳化鈦（Ti₃C₂T_x）MXene納米片和銀納米線（AgNWs）復(fù)合，可作為“無機(jī)磚”材料：PEDOT:PSS則作為“有機(jī)砂漿”材料（圖1/圖2）。利用導(dǎo)電MXene-AgNW網(wǎng)絡(luò)的裂紋擴(kuò)展效應(yīng)和TeNW-PEDOT:PSS的熱電效應(yīng)網(wǎng)絡(luò), 應(yīng)變和溫度變化刺激可以同時(shí)被檢測，并分別轉(zhuǎn)換成獨(dú)立的電流和電壓信號。多層次體系結(jié)構(gòu)中各功能組分之間的協(xié)同效應(yīng)提高了雙參數(shù)傳感器的可伸縮性和靈敏度。一方面，該器件具有0.2 °C（未拉伸狀態(tài)下）的精確溫度分辨率，快速響應(yīng)時(shí)間～1.8 s；在62%的拉伸應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)變靈敏度gauge factor >200（最大1933.3）（圖3）。另一方面，在25?40°C溫度范圍內(nèi)器件可對溫度和應(yīng)變刺激同時(shí)無干擾響應(yīng)（圖4/圖5）。

圖1（a） 可拉伸MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW雙參數(shù)傳感器的制作工藝和結(jié)構(gòu)示意圖。在（b）施加應(yīng)變，（c）施加溫度梯度，以及（d）同時(shí)施加應(yīng)變和溫度刺激時(shí)，傳感器的解耦傳感機(jī)制示意圖。

圖2（a）MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW納米復(fù)合油墨的TEM圖像（b）納米復(fù)合油墨中元素Ag、S、Te和Ti的相應(yīng)EDS圖譜。（c） MXene在Ti2p區(qū)的XPS譜（d） 打印MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW納米復(fù)合薄膜的橫截面SEM圖像和（e）平面SEM圖像（f） 純MXene和MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW的XRD圖譜。

圖3 MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW雙參數(shù)傳感器的熱傳感和應(yīng)變傳感性能：（a） 紅外熱成像顯示了一個(gè)傳感薄膜的溫度分布，其中一端加熱，另一端由兩個(gè)分離的帕爾貼元件冷卻。溫度梯度為9℃。（b）在不同ΔT下測量的傳感膜的I?V曲線。（c）測量輸出電壓作為傳感器薄膜ΔT的函數(shù)（d）在ΔT為0.2°C時(shí)，未拉伸狀態(tài)下傳感膜的輸出電壓。（e） 在加熱和冷卻循環(huán)下測量傳感膜的響應(yīng)時(shí)間。（f）一個(gè)加熱-冷卻循環(huán)的放大圖：加熱-冷卻循環(huán)的響應(yīng)時(shí)間（青色）和加熱-冷卻循環(huán)的松弛時(shí)間（黃色）。（g）測量系數(shù)和傳感裝置的線性行為。（h） 在0-15%應(yīng)變范圍內(nèi)，1000次拉伸和釋放循環(huán)后，傳感器的相對電阻變化。

圖4 MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW傳感器應(yīng)變與溫度同步傳感性能研究。（a） 在不同的ΔT（0、3、6和9°C）和不同施加應(yīng)變（5%、30%和60%）下測量納米復(fù)合傳感裝置的I?V曲線。（b）在不同的ΔT（1、3、6和9°C）和應(yīng)變（0、20、40和60%）下傳感裝置的溫度變化。（c） 在不同的ΔT（0、5、10和15℃）下，作為傳感裝置施加應(yīng)變函數(shù)的相對電阻變化。（d） 在拉伸前、250次拉伸-釋放循環(huán)后以及500次拉伸-釋放循環(huán)后，在0-15%應(yīng)變之間的加熱和冷卻循環(huán)下，輸出Vtherm。

圖5 MXene-AgNW-PEDOT:PSS-pp:TeNW傳感器溫度和應(yīng)變變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測（a） 紅外熱圖像顯示了在溫度和應(yīng)變刺激下傳感裝置的溫度變化。（b） 溫度差為12℃，應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)，傳感器件的實(shí)時(shí)輸出電壓和相對電阻變化。

  這種雙傳感能力，加上方便和經(jīng)濟(jì)的制造工藝，使該可伸縮溫度-應(yīng)變雙傳感器在多功能可穿戴電子應(yīng)用中有著廣闊的前景。該研究工作發(fā)表于Nano Lett.上。論文的第一作者為南開大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生李鳳超，通訊作者為梁嘉杰教授。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.0c02519