本發明專利技術公開了一種基于納米石墨烯隧穿效應的人造皮膚及其制備方法，基于納米石墨烯隧穿效應的人造皮膚包括：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力的器件位于柔性襯底之上。本發明專利技術的人造皮膚具有石墨烯的優良特性，具有單原子層厚度、延展性好、抗壓性強、電學性質優越等特點。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于納米科技領域，尤其涉及。
技術介紹
在所有人類器官中，皮膚常常被我們忽視和胡亂對待，但是，皮膚非常可靠，它是我們的身體器官和組織的“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。另外英國劍橋大學納米科學中心的史蒂芬尼 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，有望應用于皮膚移植甚至將皮膚用做觸摸屏接口等領域。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，這就呼喚一種新材料的出現。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，是人類所發現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，宏觀上表現為一個二維平面。因此對于石墨烯的應用便有了諸多選擇，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質量，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，這些特性都預示著其在納米傳感器方面的廣泛應用前景。現有技術中已經有一些利用石墨烯制備單個應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使用的應力傳感器。二、利用化學氣相沉積(CVD)方法制備大面積石墨烯薄膜，當施加較大應力時其電阻隨應變有規律性變化。三、對于石墨烯復合材料，根據施加壓應力和張應力不同，復合材料疊加區域面積增加或減少而導致電阻的相應變化。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種基于納米石墨烯隧穿效應的人造皮膚，該人造皮膚靈敏度高，受外界環境影響較小，穩定性好，可重復性高。本專利技術提供的一種基于納米石墨烯隧穿效應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力的器件位于柔性襯底之上。本專利技術的一種基于納米石墨烯隧穿效應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。本專利技術的優點I)利用本專利技術的方法制備的人造皮膚具有石墨烯的優良特性，具有單原子層厚度、延展性好、抗壓性強、電學性質優越等特點；2)本專利技術的方法加工的器件具有優越的器件性能。當下壓深度為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，受外界環境影響較小，穩定性好，可重復性高；3)本專利技術的方法得到的人造皮膚其響應時間及弛豫時間取決于襯底的響應，因此對于響應時間短的襯底可做到實時獲取外界觸碰信息；4)本專利技術的方法與現有的半導體加工工藝是兼容的，基于納米石墨烯隧穿效應的人造皮膚滿足大規模集成的需求，可批量生產。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的人造皮膚具有很好的應用潛力和廣泛的應用價值。附圖說明圖1是本專利技術的制備方法的實施步驟示意圖；圖2是使用本專利技術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是使用本專利技術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。具體實施例方式本專利技術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、電學性質好等特點，利用納米石墨烯島之間的隧穿效應得到具有高靈敏度可多點觸控的集成應力傳感器。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。將已經生長好的石墨烯轉移到透明柔性襯底(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，電阻對隧穿距離有指數響應，對應與施加不同的應力時，得到的電阻有顯著的規律性變化。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/分鐘，在115° C熱板上烘烤I分鐘，利用紫外光刻技術曝光設計好的電極結構，顯影后利用電子束蒸發系統蒸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備相連，當器件被某物體接觸時會產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性質變化。本專利技術制備出來的人造皮膚結構如圖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成的應力傳感器件。圖2是使用本專利技術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是使用本專利技術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。權利要求1.一種基于納米石墨烯隧穿效應的本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于納米石墨烯隧穿效應的人造皮膚，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力的器件位于柔性襯底之上。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：張廣宇，時東霞，趙靜，
申請(專利權)人：中國科學院物理研究所，
類型：發明
國別省市：
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