Sensor de grafeno inducido por láser suave y estirable

Sensor de grafeno inducido por láser suave y estirable


Un equipo de investigadores publicó recientemente un artículo en la revista npj Flexible Electronics que reveló una nueva forma de fabricar con éxito dispositivos basados ​​en LIG elásticos y blandos para aplicaciones portátiles.

Sensor de grafeno inducido por láser suave y estirable para dispositivos electrónicos portátiles​​​​​​

​​​​​​Estudio: Electrónica suave y estirable usando grafeno inducido por láser en un sustrato compuesto de poliimida/PDMS. Crédito: metamorworks/Shutterstock.com

Importancia del proceso de fabricación de LIG

La conversión fototérmica de las películas orgánicas en estructuras de grafeno poroso tridimensionales (3D) continuas en el aire mediante irradiación láser pulsada es el método más utilizado para fabricar grafeno inducido por láser (LIG). El proceso de fabricación proporciona una ruta simple, directa y de un solo paso para lograr la formación controlable de sensores piezorresistivos altamente sensibles y electrónica flexible de diversas geometrías. Este enfoque se presta a diversas aplicaciones, como sensores portátiles y nanogeneradores, de manera rentable.

Limitaciones de los sustratos existentes para la fabricación de dispositivos LIG estirables

LIG se puede fabricar en diferentes tipos de materiales sintéticos y naturales con fuentes de carbono adecuadas, tales como: B. poliimida comercial (PI) y madera. La película comercial de PI se usa ampliamente como sustrato durante la formación de LIG de alta calidad debido a su alta concentración de carbono y estabilidad termomecánica. Sin embargo, la robustez en el plano de las películas PI comerciales limita su aplicación en dispositivos que requieren una alta extensibilidad.

Los dispositivos y sustratos estirables obtenidos a través del diseño estructural y de materiales son cruciales para la electrónica portátil. El estiramiento máximo de los sensores basados ​​en LIG fabricados en láminas de PI es inferior al tres por ciento, que es mucho menor en comparación con el estiramiento máximo de la piel humana, que es superior al 13 por ciento. Por lo tanto, para aplicaciones portátiles, la electrónica basada en LIG debe fabricarse con una capacidad de estiramiento de más del 15 por ciento.

Propuesta de nueva forma de fabricar LIG con alta ductilidad

Se puede lograr una alta capacidad de estiramiento en dispositivos basados ​​en LIG con polidimetilsiloxano (PDMS) pegajoso y estirable como sustrato elástico ideal. El LIG se puede transferir del sustrato PI al sustrato PDMS para aumentar significativamente la capacidad de estiramiento del dispositivo fabricado basado en LIG. Por lo tanto, un compuesto de PI/PDMS se puede utilizar como sustrato elástico y blando para fabricar dispositivos flexibles como supercondensadores y sensores.

En este estudio, los investigadores utilizaron un sustrato compuesto de PI/PDMS para fabricar un LIG altamente estirable bajo la irradiación de rayos láser infrarrojos. La adición de partículas de PI a la solución de PDMS proporcionó la fuente de carbono requerida para la formación de grafeno poroso bajo la irradiación de rayos láser infrarrojos. Se utilizó una máquina de corte por láser de 30 vatios con un generador de láser de dióxido de carbono para fabricar el LIG poroso sobre el sustrato compuesto de PI/PDMS.

Varios parámetros de fabricación, incluidas las condiciones del proceso de escaneo láser y la composición del material, que pueden afectar significativamente el rendimiento mecánico y eléctrico del sistema fabricado basado en LIG, se analizaron y midieron mediante imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) y experimentos de tensión mecánica.

La fluencia del láser se determinó teórica y experimentalmente para caracterizar la formación de LIG conductivo en un sustrato compuesto de PI/PDMS, lo que facilita la selección de parámetros de escaneo láser, como puntos láser por pulgada (DPI) y frecuencia.

Evaluación de las muestras producidas

La aplicación del sistema fabricado basado en LIG como control remoto y sensor portátil se demostró mediante tres ejemplos, incluido un sensor de actividad electrofisiológica, un monitor de movimiento de los dedos y una herramienta de control de actuadores en tiempo real.

Los sensores elásticos y suaves basados ​​en LIG se fabricaron y colocaron en el cuello y la muñeca del voluntario para monitorear el movimiento de la cabeza y la pronunciación y la frecuencia de la onda del pulso, respectivamente. De manera similar, se fabricó un guante suave para manos basado en LIG para monitorear los gestos de las manos y evaluar su efectividad como una herramienta portátil para el control remoto de los actuadores LIG.

Los ensayos de flexión y tracción se realizaron con una máquina universal de ensayos mecánicos. Se usaron multímetros digitales con una tasa de muestreo de dos Hertz y un Hertz para los experimentos de monitor de movimiento de garganta y pulso y experimentos de monitor de movimiento de gestos y dedos, respectivamente.

importancia del estudio

LIG se fabricó con éxito en el sustrato compuesto PI/PDMS utilizando irradiación láser infrarroja. Los sensores basados ​​en LIG con formas 3D complejas se han sintetizado de manera efectiva a través de este proceso de fabricación. Además, los sensores fabricados demostraron la capacidad de soportar más del 15 por ciento de tensión mecánica, que es superior a la elasticidad de la piel humana, sin afectar la estabilidad de su rendimiento eléctrico.

La buena ciclabilidad y el aumento lineal del 470 por ciento en la resistencia normalizada a una tensión de tracción del 15 por ciento en los sensores fabricados basados ​​en LIG demostraron la viabilidad de usar estos sensores para aplicaciones de monitoreo de movimiento humano.

El rango razonable de fluencia del láser determinado teórica y experimentalmente para lograr el rendimiento eléctrico deseado del sensor basado en LIG estaba entre 35,4 julios por centímetro cuadrado y 70,8 julios por centímetro. Las observaciones de los ejemplos de demostración revelaron la ductilidad inherente, la sensibilidad excepcional y la buena ciclabilidad de los sistemas eléctricos basados ​​en LIG.

El sensor basado en LIG registró inmediatamente una señal de frecuencia de pulso estable y de alta calidad, como una onda diastólica y una onda de marea, después de colocarlo en la muñeca del voluntario. La onda de pulso de 71 latidos por minuto indicaba el estado de salud del sujeto.

Los movimientos del dedo índice izquierdo se monitorearon oportunamente y se predijeron con precisión colocando sensores LIG en el punto interfalángico distal (DIP), el punto interfalángico proximal (PIP) y el punto metacarpofalángico (MP) desde la punta del dedo hasta la palma.

El sensor basado en LIG conectado a la garganta reconoció las palabras banana y apple y detectó la actividad de deglución del sujeto. El guante suave con sensores LIG separados monitoreó de manera efectiva el movimiento y los gestos de los dedos mediante el análisis de los movimientos colectivos de cinco dedos. Además, el guante funcional se ha utilizado con éxito como control remoto portátil de actuadores, lo que indica su potencial en robots blandos.

Tomados en conjunto, los resultados de este estudio indicaron que los sistemas basados ​​en LIG elásticos y suaves fabricados con PI/PDMS como sustrato podrían usarse de manera efectiva como un componente funcional crítico en la electrónica portátil y flexible.

referencia

Guo X, Liu P, Wang H. y otros. (2022) Electrónica suave y estirable usando grafeno inducido por láser en un sustrato compuesto de poliimida/PDMS. npj Electrónica flexible. https://www.nature.com/articles/s41528-022-00161-z

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