專利名稱：一種基于納米石墨烯隧穿效應(yīng)的人造皮膚及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米科技領(lǐng)域，尤其涉及一種基于納米石墨烯隧穿效應(yīng)的人造皮膚及其制備方法。
背景技術(shù)：
在所有人類器官中，皮膚常常被我們忽視和胡亂對待，但是，皮膚非?？煽浚俏覀兊纳眢w器官和組織的“保護神”，通過傳遞各種感覺幫助我們避免傷害，確保我們身處合適的溫度和環(huán)境下。最近幾年，義肢越來越完善，但即使最好的義肢也沒有人體皮膚所擁有的最微妙 的感受，也就是說，義肢沒有觸摸別人或被別人觸摸帶來的溫馨感覺。然而，新的電子皮膚出爐朝制造出擁有觸覺的義肢邁近了一大步。德國的菲利普 米藤多爾弗爾等人通過集成紅外傳感器和溫度傳感器制成可模擬人類皮膚輕觸覺的電路板。另外英國劍橋大學(xué)納米科學(xué)中心的史蒂芬尼 拉庫在一個透明的彈性硅膠上制造出能無損地拉伸和變形的電路。這種彈性材料能包裹四肢、手指，有望應(yīng)用于皮膚移植甚至將皮膚用做觸摸屏接口等領(lǐng)域。但是制造“人造皮膚”需要其具有可拉伸、有觸感、能傳感等性質(zhì)，這就呼喚一種新材料的出現(xiàn)。石墨烯是由Sp2雜化的碳原子所組成的六角原胞單原子層晶體，是人類所發(fā)現(xiàn)的第一種真正意義上的二維材料，其厚度只有埃到納米量級，而其尺寸一般在微米量級，縱橫比極大，是碳管的兩倍，因而是一種具有“宏觀尺寸”的納米材料。由于石墨烯和襯底表面之間的范德瓦爾斯力的作用，宏觀上表現(xiàn)為一個二維平面。因此對于石墨烯的應(yīng)用便有了諸多選擇，包括剪裁為石墨烯納米條帶，或者是二維平面電子器件。石墨烯是已知的最薄最堅固且延展性最好的材料，其楊氏模量可超過ITPa,石墨烯具有很高的電學(xué)質(zhì)量，在室溫下其載流子遷移率高達200，OOOcm2V-1S-1,彈道輸運長度可達到亞微米量級，這些特性都預(yù)示著其在納米傳感器方面的廣泛應(yīng)用前景。現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)有一些利用石墨烯制備單個應(yīng)力傳感器方法的報道，主要包括
一、將剝離石墨烯懸浮與襯底之上，利用其良好的機械強度制成可重復(fù)使用的應(yīng)力傳感器。
二、利用化學(xué)氣相沉積(CVD)方法制備大面積石墨烯薄膜，當(dāng)施加較大應(yīng)力時其電阻隨應(yīng)變有規(guī)律性變化。三、對于石墨烯復(fù)合材料，根據(jù)施加壓應(yīng)力和張應(yīng)力不同，復(fù)合材料疊加區(qū)域面積增加或減少而導(dǎo)致電阻的相應(yīng)變化。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于納米石墨烯隧穿效應(yīng)的人造皮膚，該人造皮膚靈敏度高，受外界環(huán)境影響較小，穩(wěn)定性好，可重復(fù)性高。本發(fā)明提供的一種基于納米石墨烯隧穿效應(yīng)的人造皮膚包括柔性襯底、石墨烯層、金屬電極，其中金屬電極和石墨烯組成可感知應(yīng)力的器件位于柔性襯底之上。
本發(fā)明的一種基于納米石墨烯隧穿效應(yīng)的人造皮膚的制造方法包括如下步驟I)在氧化硅襯底上制備納米石墨烯；2)在納米石墨烯表面懸涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)并在熱板上烘干；3)將已懸涂PMMA的表面有石墨烯的氧化硅襯底置于氫氟酸溶液中浸泡，待其自然漂浮于液面之上時撈起，在去離子水中將其表面褶皺鋪平并沖洗干凈后用氣槍吹去表面水分，置于熱板上烘烤保證薄膜與柔性襯底之間水分完全去除；4)將表面有石墨烯薄膜的柔性襯底置于丙酮中去除其表面的PMMA ；5)在石墨烯表面沉積金屬作為電極； 6)將做好電極的樣品進行二次圖形曝光，顯影后通過反應(yīng)離子刻蝕將多余的石墨烯去掉，之后用丙酮將多余的膠去掉。本發(fā)明的優(yōu)點I)利用本發(fā)明的方法制備的人造皮膚具有石墨烯的優(yōu)良特性，具有單原子層厚度、延展性好、抗壓性強、電學(xué)性質(zhì)優(yōu)越等特點；2)本發(fā)明的方法加工的器件具有優(yōu)越的器件性能。當(dāng)下壓深度為0.1mm時電阻可變化幾倍，由于器件的靈敏度僅取決于隧穿距離與隧穿勢壘，是其本征屬性，受外界環(huán)境影響較小，穩(wěn)定性好，可重復(fù)性高；3)本發(fā)明的方法得到的人造皮膚其響應(yīng)時間及弛豫時間取決于襯底的響應(yīng)，因此對于響應(yīng)時間短的襯底可做到實時獲取外界觸碰信息；4)本發(fā)明的方法與現(xiàn)有的半導(dǎo)體加工工藝是兼容的，基于納米石墨烯隧穿效應(yīng)的人造皮膚滿足大規(guī)模集成的需求，可批量生產(chǎn)。5)基于納米石墨烯的人造皮膚制作周期短，使用的材料價格低廉，大大降低了制作過程的能耗和成本。以上這些特點使得這種新的基于納米石墨烯隧穿效應(yīng)的人造皮膚具有很好的應(yīng)用潛力和廣泛的應(yīng)用價值。
圖1是本發(fā)明的制備方法的實施步驟示意圖；圖2是使用本發(fā)明得到的納米石墨烯人造皮膚單個器件在有接觸時電阻隨下壓深度的增加而增大。(a)圖是在不同的下壓深度時，器件的電流/電壓特性曲線圖；(b)圖是由圖(a)得到的器件電阻隨下壓深度增加的變化圖。圖3是使用本發(fā)明得到的石墨烯人造皮膚3X4矩陣器件施加點接觸(a)和線接觸(b)時電阻變化圖。
具體實施例方式本發(fā)明的人造皮膚基于石墨烯是已知的最薄最堅固且延展性最好的材料、可拉伸、電學(xué)性質(zhì)好等特點，利用納米石墨烯島之間的隧穿效應(yīng)得到具有高靈敏度可多點觸控的集成應(yīng)力傳感器。石墨烯薄膜是由尺度介于幾納米到幾百納米不同的石墨烯島組成的。將已經(jīng)生長好的石墨烯轉(zhuǎn)移到透明柔性襯底(二甲基硅氧烷PDMS/聚對苯二甲酸PET)上，利用傳統(tǒng)的微加工手段制成集成的小尺度納米石墨烯傳感器。由于隧穿效應(yīng)，電阻對隧穿距離有指數(shù)響應(yīng)，對應(yīng)與施加不同的應(yīng)力時，得到的電阻有顯著的規(guī)律性變化。下面通過具體實施例來進一步說明。利用等離子體加強的化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法得到的納米石墨烯人造皮膚及特性測試。1、通過PECVD方法將石墨烯直接沉積到氧化硅襯底表面，具體生長條件為溫度525° C，甲烷氣體流量30SCCM，壓強0. 2Torr,等離子體功率100W，生長時間2. 5小時。2、將已生長石墨烯的氧化硅片表面懸涂5%的950PMMA，懸涂速度為3000r/min共lmin，在180° C熱板上烘烤3min。3、將已懸涂PMMA的表面有石墨烯的氧化硅襯底置于10%的氫氟酸溶液中浸泡幾
小時，待其自然漂浮于液面之上時用PDMS/PET撈起，在去離子水中將其表面褶皺鋪平并沖洗干凈后用氣槍吹去表面水分，置于110° C熱板上烘烤半小時，保證薄膜與柔性襯底之間水分去除。4、轉(zhuǎn)移好的表面有石墨烯薄膜的柔性襯底置于丙酮中去除其表面的PMMA。5、在樣品上懸涂一層S1813膠，速度為4500轉(zhuǎn)/分鐘，在115° C熱板上烘烤I分鐘，利用紫外光刻技術(shù)曝光設(shè)計好的電極結(jié)構(gòu)，顯影后利用電子束蒸發(fā)系統(tǒng)蒸Ti/AiT2nm/30nm,然后用丙酮除去除多余的S1813膠(lift-off ),得到電極。6、將做好電極的樣品懸涂S1813膠后進行二次圖形曝光，顯影后通過反應(yīng)離子刻蝕將多余的石墨烯去掉，之后用丙酮將多余的膠去掉，這樣就得到了完整的器件。7、已完成的器件與外部測量設(shè)備相連，當(dāng)器件被某物體接觸時會產(chǎn)生形變進而引起電阻的變化。我們分別測量了單個器件和多個集成器件隨下壓深度增加時電學(xué)性質(zhì)變化。本發(fā)明制備出來的人造皮膚結(jié)構(gòu)如圖1所示，制備出來的人造皮膚包括柔性襯底以及位于柔性襯底之上的由石墨烯和金屬電極構(gòu)成的應(yīng)力傳感器件。圖2是使用本發(fā)明得到的納米石墨烯人造皮膚單個器件在有接觸時電阻隨下壓深度的增加而增大。(a)圖是在不同的下壓深度時，器件的電流/電壓特性曲線圖；(b)圖是由圖(a)得到的器件電阻隨下壓深度增加的變化圖。圖3是使用本發(fā)明得到的石墨烯人造皮膚3X4矩陣器件施加點接觸(a)和線接觸(b)時電阻變化圖。對3X4個矩陣器件施加點壓力和線壓力時，只在施加壓力的位置器件電阻增加，其它位置器件電阻無明顯改變。
權(quán)利要求
1.一種基于納米石墨烯隧穿效應(yīng)的人造皮膚，其特征在于，包括柔性襯底、石墨烯層、金屬電極，其中金屬電極和石墨烯組成可感知應(yīng)力的器件位于柔性襯底之上。
2.本種基于納米石墨烯隧穿效應(yīng)的人造皮膚的制造方法，包括如下步驟1)在氧化硅襯底上制備納米石墨烯；2)在納米石墨烯表面懸涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)并在熱板上烘干；3)將已懸涂PMMA的表面有石墨烯的氧化硅襯底置于氫氟酸溶液中浸泡，待其自然漂浮于液面之上時撈起，在去離子水中將其表面褶皺鋪平并沖洗干凈后用氣槍吹去表面水分，置于熱板上烘烤保證薄膜與柔性襯底之間水分完全去除；4)將表面有石墨烯薄膜的柔性襯底置于丙酮中去除其表面的PMMA；5)在石墨烯表面沉積金屬作為電極；6)將做好電極的樣品進行二次圖形曝光，顯影后通過反應(yīng)離子刻蝕將多余的石墨烯去掉，之后用丙酮將多余的膠去掉。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于納米石墨烯隧穿效應(yīng)的人造皮膚及其制備方法，基于納米石墨烯隧穿效應(yīng)的人造皮膚包括柔性襯底、石墨烯層、金屬電極，其中金屬電極和石墨烯組成可感知應(yīng)力的器件位于柔性襯底之上。本發(fā)明的人造皮膚具有石墨烯的優(yōu)良特性，具有單原子層厚度、延展性好、抗壓性強、電學(xué)性質(zhì)優(yōu)越等特點。
文檔編號A61L27/60GK102988120SQ20121057457
公開日2013年3月27日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者張廣宇, 時東霞, 趙靜 申請人:中國科學(xué)院物理研究所