最近，張廣宇研究組又在石墨烯周期性折疊結(jié)構(gòu)的加工及其在應力傳感器件方面的應用研究取得了突破性進展，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在【ACS NANO (2011)】。
由于石墨烯特殊的二維結(jié)構(gòu)，不僅表現(xiàn)出奇特的電學特性，而且具有很好的柔韌性，在透明導電材料和柔性電子器件方面具有潛在的應用前景。通常，石墨烯在PET和PDMS等柔性襯底上的附著力弱，靠范德瓦爾斯力相互結(jié)合。因此，當襯底發(fā)生較大的形變時，石墨烯很容易在襯底上發(fā)生滑移甚至斷裂，這是因為石墨烯雖然具有很高的機械韌性，但在石墨烯面內(nèi)是剛性的。為了解決石墨烯和襯底在較大應力加載時結(jié)合不牢固的問題，他們提出了一種新的石墨烯柔性器件的加工方法，即制作三維周期性折疊石墨烯結(jié)構(gòu)，使石墨烯可以承受襯底材料較大的形變而不發(fā)生滑移或結(jié)構(gòu)破壞。
目前，對于在柔性襯底上加工周期性折疊石墨烯結(jié)構(gòu)的研究工作還沒有文獻報道。他們采用了一種非線性折疊技術(shù)來加工石墨烯周期性結(jié)構(gòu)，這種技術(shù)最早是Whitesides et al.在加工周期性硅薄膜褶皺結(jié)構(gòu)時發(fā)展出來的，并在其它不同的材料上得到了推廣。他們采用這種技術(shù)，首先把石墨烯轉(zhuǎn)移到預先施加拉應力的PDMS柔性襯底上，然后通過釋放PDMS上的應力，使石墨烯在PDMS恢復自然狀態(tài)的過程中形成具有納米周期的波紋狀折疊結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明，得到的折疊石墨烯結(jié)構(gòu)的周期和折疊幅度均受在PDMS上預施加應力大小的影響，也和石墨烯條帶的寬度和層數(shù)有關(guān)。隨著預先施加在PDMS上的拉應力的增加，得到的折疊石墨烯的周期和折疊幅度均會減小。另外，在窄的石墨烯條帶上更容易得到規(guī)則周期性折疊結(jié)構(gòu)。采用同樣的加工方法，他們也在自己前期合成的納米石墨烯薄膜上得到了周期性的折疊結(jié)構(gòu)。
結(jié)合微加工工藝，他們對PDMS柔性襯底上制作的機械剝離的石墨烯條帶和合成的納米石墨烯薄膜周期性折疊結(jié)構(gòu)均引出電極，做成應力傳感器，測試周期性折疊石墨烯的電阻隨襯底的應力變化。結(jié)果表明，這種周期性的波紋折疊狀石墨烯結(jié)構(gòu)的柔韌性非常好，在PDMS襯底的拉伸形變大于> 30%時，石墨烯仍然表現(xiàn)出非常好的可逆形變。石墨烯的電阻隨襯底的形變變化曲線表明，石墨烯的電阻和襯底的加載應力呈線性關(guān)系�？梢�，這種周期折疊石墨烯結(jié)構(gòu)能夠承受高強度的壓應力和拉應力，是一種很好的應力傳感器材料，可用于大量程的應力傳感器。這種制作周期性折疊石墨烯結(jié)構(gòu)的加工方法簡單、工藝可控，為石墨烯柔性電子學器件和應力傳感器的實際應用提供了一種確實可行的制作方法。
該工作得到中科院“百人計劃”、國家自然科學基金和“973”項目的支持。
圖1 石墨烯條帶轉(zhuǎn)移到預先施加應力的PDMS襯底上，通過釋放PDMS上的應力得到的周期性波紋狀折疊石墨烯條帶結(jié)構(gòu)。
圖2 (a) 周期折疊石墨烯應力傳感器在不同加載應力下的I-V曲線。插入圖是折疊前后的光學照片對照。帶有兩端電極的石墨烯條帶整體轉(zhuǎn)移到預加應力20%的PDMS襯底上，釋放應力后得到了周期折疊石墨烯應力傳感器。石墨烯條帶折疊前的寬度是1.5μm，長度是22.8 μm。(b) 折疊的石墨烯應力傳感器電阻隨應力的變化關(guān)系。當應力從0變化到20%時，電阻從5.9 kΩ線性降低到3.6 kΩ。最小電阻3.6 kΩ為完全放松狀態(tài)的石墨烯的電阻。對應應力傳感器件的品質(zhì)因子為-2。
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