石墨烯是由單層碳原子組成的六角晶格，是一種典型的二維材料。石墨烯兼具透明、導(dǎo)電、柔性、穩(wěn)定等特性，在可穿戴的柔性電子學(xué)器件應(yīng)用方面具有巨大潛力。應(yīng)力傳感器件是柔性電子學(xué)器件的一個重要分支。完美石墨烯是半金屬或者說是零帶隙半導(dǎo)體，在面內(nèi)具有極高的機械強度，這使得其在應(yīng)力傳感器件應(yīng)用時主要面臨兩方面的困難：一是應(yīng)力測量范圍不大（<5%）；二是測量精度不夠高（靈敏因子～2）。

　　針對這兩方面的問題，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）納米物理與器件實驗室博士生趙靜等在導(dǎo)師時東霞、張廣宇的指導(dǎo)下開展了以下兩方面的工作：提出了一種石墨烯波紋結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳感器，使應(yīng)力測量范圍超過30%；設(shè)計了一種基于隧穿效應(yīng)的納米石墨烯薄膜應(yīng)力傳感器，使靈敏因子提高到500以上。這種高靈敏度的應(yīng)力傳感器所采用的石墨烯是利用實驗室自行搭建的遠(yuǎn)程等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)直接沉積到襯底上。所生長的石墨烯具有納米尺寸（幾納米到幾十納米）和準(zhǔn)連續(xù)的特點。電流流經(jīng)這些石墨烯片層是通過隧穿效應(yīng)實現(xiàn)的。當(dāng)外界施加應(yīng)力時，由于隧穿距離的增大其電阻會有顯著升高。通過調(diào)控生長條件，如生長溫度、生長時間等，可以改變石墨烯片層的大小和形核密度，即改變片層之間的隧穿距離，從而可以調(diào)控石墨烯薄膜的表面電阻和靈敏因子。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)需求選擇不同表面電阻和靈敏度的準(zhǔn)連續(xù)石墨烯來構(gòu)造應(yīng)力傳感器。

　　這種準(zhǔn)連續(xù)的納米石墨烯薄膜還可以轉(zhuǎn)移到柔性襯底上，制作柔性、透明的高靈敏度應(yīng)力傳感器，進而應(yīng)用于人造電子皮膚等領(lǐng)域。這種柔性的應(yīng)力傳感器具有良好的穩(wěn)定性，在經(jīng)過大于萬次的壓力測試后其初始電阻沒有明顯變化；響應(yīng)時間極快，只有幾毫秒，遠(yuǎn)小于人類皮膚的響應(yīng)時間（30-50 ms）；空間分辨率良好，器件之間的間距可以小到幾微米。此外，這種石墨烯電子皮膚由于厚度小，可將其粘在手指上檢測關(guān)節(jié)的活動；或者構(gòu)造集成的器件陣列以對薄膜的表面應(yīng)力分布進行實時測量。

　　這種基于石墨烯隧穿效應(yīng)的應(yīng)力傳感器具有可拉伸、靈敏度高、穩(wěn)定性強、透明等特點，其在人造皮膚、觸摸屏等方面顯示了巨大的應(yīng)用潛力。相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Nano 等期刊上。這項工作得到了中科院先導(dǎo)（B）計劃、國家自然科學(xué)基金納米制造項目和“973”青年項目的資助。

圖1.（a）人造電子皮膚。(b) 在不同生長溫度下GF 隨表面電阻的增加而增大。

圖2. (a) 10000次壓力測試下的電阻實時變化圖。(b) 石墨烯應(yīng)力傳感器的時間響應(yīng)。

圖3. 電子皮膚的空間分辨率