超高靈敏度壓力傳感在醫(yī)學(xué)檢測(cè)、電子皮膚、機(jī)器人皮膚、交互式輸入/控制設(shè)備、數(shù)據(jù)收集等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。但迄今為止的壓阻式高靈敏壓力傳感器主要采用滲流效應(yīng)或接觸電阻模型作為轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制，而基于這兩種機(jī)制的壓力傳感器存在著靈敏度不夠高或難以制備以及難以推廣應(yīng)用等問題。
為此，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系武利民團(tuán)隊(duì)將一種空心帶刺納米結(jié)構(gòu)碳球（UHCS，圖1a,b）與聚甲基硅氧烷彈性體（PDMS）進(jìn)行復(fù)合，結(jié)合理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)該材料體系在極低濃度導(dǎo)電載體（1.5 wt%的碳球）下，受微小外力作用，即通過F-N隧穿效應(yīng)，產(chǎn)生大的電流密度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)外界壓力的高靈敏度響應(yīng)。相關(guān)成果于7月15日，以Quantum effect-based pressure sensor achieving ultrahigh sensitivity and sensing density為題在線發(fā)表在《自然·通訊》（Nature communications）上?(Nature Communications, 2020, 11, 3529 )。
武利民教授團(tuán)隊(duì)所發(fā)展出的超高靈敏度傳感薄膜材料，厚度僅為20微米，最高靈敏度達(dá)260.3?kPa-1，擁有著1至10000Pa壓強(qiáng)范圍的傳感能力，且薄膜無色透明，可通過旋涂方法大面積應(yīng)用于各種形狀的表面（圖1c）。最小檢測(cè)面積可小至31.7 m2，約為頭發(fā)絲橫截面積的1/200，因此在高密度、大面積陣列傳感方面有著重要應(yīng)用前景。該傳感薄膜之所以擁有如此優(yōu)異的性能，與其新穎的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制密不可分。他們通過考察量子尺度下諸多類型的材料體系電學(xué)特征并結(jié)合課題組的功能微球設(shè)計(jì)、合成技術(shù)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)放大方法，成功地將只發(fā)生在低納米尺度的F-N隧穿效應(yīng)擴(kuò)展至微米尺度，通過信號(hào)采集，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)體系的高性能力學(xué)傳感。得益于這種新的轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制和空心微球的應(yīng)用，該體系壓力傳感材料在實(shí)現(xiàn)高靈敏度傳感和透明性的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了高的溫度穩(wěn)定性、高密度陣列、強(qiáng)的抗串?dāng)_能力等（圖1d,e）。
武利民課題組的博士生石瀾，材料科學(xué)系青年研究員李卓為該論文的共同第一作者，武利民教授為該論文的通訊作者，材料科學(xué)系陳敏教授、信息科學(xué)與工程學(xué)院秦亞杰副教授及博士生江逸舟等多次參與討論。研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委和復(fù)旦大學(xué)聚合物分子工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的共同資助。該研究已申請(qǐng)中國和國際PCT專利各一項(xiàng)。
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