标    题：低维度材料设计及柔性器件应用

英文标题：Design of Low-Dimentional Materials and their Applications in Flexible Electronic Devices

作    者：张洪健

指导教师：黄维 院士、朱纪欣 教授

培养院系：柔性电子研究院

学    科：材料学

读博寄语：求真、务实

主要研究内容

随着人们生活质量与对可穿戴监测设备需求的提高以及物联网、人工智能和人机交互等科技水平的发展，能够对人体生命体征信号采集、转化与识别的可穿戴柔性电子装置成为连接智能生物与非智能机械装置的桥梁。与建立在坚硬基底上的传统硅基电子技术相比，虽然在器件结构、组成材料和系统功能等方面区别较大，但是柔性电子系统却可以与传统硅基电子系统进行无缝网络连接。随着世界信息化、生产数字化、生活智能化以及监护日常化的发展，由柔性传感技术为代表的可穿戴柔性电子设备必将给电子信息产业带来革命性变化。皮肤作为人体最大的器官，在机体保护、新陈代谢和信号感知等方面起着非常重要的作用，皮肤可以感知应力、压力、温度、湿度等物理信号，并可以将这些信号转化为电信号传输到大脑中。受到皮肤的启发，近年来新型柔性传感器例如应变传感器、温度传感器、湿度传感器和生理电信号传感器等受到了广泛的关注和研究，为人类的健康监测、疾病诊断和智能机器人等发展提供了广泛的前景。

其中，应变传感器可以同时检测人体较强烈的运动信号（如关节的运动）和较微弱的运动信号（如动脉、血压、呼吸、声音等），在人机交互、智能机器人和医疗监测等领域有极其巨大的应用前景。同时，温度传感器可以实时监测身体的体温特征或环境的温度变化，对未来远程智能医疗提供数据采集和分析。然而，由于传感材料和器件结构的限制，柔性力学和温度传感器仍然存在着亟需解决的问题，如检测灵敏度低、工作范围受限和穿戴舒适性差等问题，阻碍了其进一步商业化应用。基于以上背景，在西北工业大学博士论文创新基金资助下，本项目开展了以下研究：

（1）高性能钒基纳米材料的可控制备与柔性应变传感器设计

首先提出了一种简便且经济高效的制备金属性气凝胶混合材料的原位合成策略，首次使用垂直排列的N掺杂碳纳米管阵列修饰氮化钒纳米片（VN/CNTs）。其中，氮化钒（VN）具有导电性高、形貌设计灵活和高比表面积的优点，对于柔性设备非常有利。此外，结合VN和原位生长的CNT阵列构建高导电三维网络结构，提供了额外的电导率，从而有效促进了重叠的纳米材料之间的电荷输运，以达到提高灵敏度的目的。此外，通过高效、可控的脱氧-氮化策略，合成了高电导率的氧掺杂氮化钒（VNO）纳米片。VNO材料的金属特性和二维形貌，使其特别适用于制备高性能的可拉伸应变传感器。进一步，基于钒基纳米材料分别采用激光模板转移法和覆膜转换法制备了高性能柔性应变传感器，具有高的灵敏度、宽的检测范围、高耐用性和快速响应。

图1 柔性应变传感器的制备

（2）基于高性能柔性应变传感器的人体健康监测系统

所制备的柔性传感器由于其具有高灵敏度可以用于检测人体各种生理信号。首先是人体关节运动的大应变信号，如手指、手腕、手肘、膝盖等关节部位的运动状态。此外还可以检测人体生理活动引起的人体皮肤震动的微弱型号，如声音信号、动脉脉搏信号和呼吸信号。将柔性传感器贴于人体的声带部位，可以清楚地区分不同的单词以及不同的重音节，这为智能语音识别提供了可能性。将传感器贴于颈部，可以识别来自不同个人以及相同个人的不同生理状态的实时脉搏信号。此外，将传感器贴于咽喉部位，通过检测食道附近肌肉的运动，可以监测人体的呼吸行为（如呼吸频率等），用于实时监测呼吸系统疾病，如哮喘等。此外，本工作研究的传感器具有可穿戴舒适性，薄的导电传感层有利于人体皮肤热量快速消散，对于可穿戴的舒适性具有重要意义。

图2 柔性应变传感器用于人体信号监测系统

（3）基于高性能柔性应变传感器的人机操控系统

本项目制备的柔性应变传感器在人机交互和人机操控的领域中显示出巨大的应用潜力。将传感器固定在“智能手套”的手指关节处，即可通过信号采集电路和控制电路收集传感器在人体手指弯曲过程中的电阻变化并将其转换为传输至微控制单元的输出电压信号。随后，微处理器控制电机的旋转，导致机械手指弯曲，可以使机械手准确、快速地对人体的手势作出实时响应。此外，还基于该系统进一步设计了基于柔性应变传感器无线操控智能车的应用场景，实现远程操控智能车定向移动和避障，有助于开发人-机一体化的应用于特殊作业环境的无线操控装备。

图3 柔性应变传感器用于人机操控系统

（4）基于“自控门”载流子器件的高灵敏可穿戴温度传感器及柔性传感阵列

提出一种简单、高效的原位NiO/Ni异质结“自控门”器件的制备技术，并将其应用在高性能可穿戴温度传感器中。所制备的器件由于具有特殊的金属-半导体-金属结构，展现出高效的电荷输运性能、优异的导热性能、灵敏的温度传感性能和超高的稳定性能，适用于物体表面和人体温度信号的实时监测。此外，采用喷墨打印技术制备了基于高性能温度传感器的柔性温度传感阵列，可对空间温度场进行精准分辨和成像，在人机界面、智能医疗系统等领域展现出广阔的应用前景。

图4 高性能柔性温度传感阵列

主要创新点

（1）采用高效、可控的原位氨化方法制备了高性能钒基纳米材料。基于该类材料，采用特殊的激光模板转移法和覆膜转换法制备了具有高灵敏度、高耐用性、快速响应和穿戴舒适性的柔性应变传感器；

（2）将高性能柔性应变传感器应用于人体健康监测系统，可对人体生理信号实时精准监测，用于生理状态监测和疾病预防；设计制备了无线人机操控系统，实现了机械手对人体手势的精准快速识别，以及智能车定向移动和避障功能，用于特种装备的设计和开发；

（3）采用简便、高效的原位氧化方法制备了基于NiO/Ni异质结的“自控门”载流子器件，并制备了高性能温度传感器和柔性温度传感阵列，成功实现人体温度信号和空间温度场的探测。

代表性创新成果

一、论文：

1. Hongjian Zhang, Wenqi Han, Kui Xu, Yu Zhang, Yufei Lu, Zhentao Nie, Yuhang Du, Jixin Zhu,* Wei Huang,* Metallic Sandwiched-Aerogel Hybrids Enabling Flexible and Stretchable Intelligent Sensor. Nano Letters 2020, 20 (5), 3449-3458. (一区, TOP, IF=11.238)

2. Hongjian Zhang, Wenqi Han, Kui Xu, Huijuan Lin, Yufei Lu, Haodong Liu, Ruizi Li, Yuhang Du, Zhentao Nie, Feng Xu, Ling Miao, Jixin Zhu,* Wei Huang,* Stretchable and Ultrasensitive Intelligent Sensors for Wireless Human–Machine Manipulation. Advanced Functional Materials 2021, 31(15), 2009466. (一区, TOP, IF=18.808)

3. Hongjian Zhang, Kui Xu, Yufei Lu, Haodong Liu, Wenqi Han, Yang Zhao, Ruizi Li, Zhentao Nie, Feng Xu, Jixin Zhu,* Wei Huang,* Robust self-gated-carrires enabling highly sensitive wearable temperature sensors. Applied Physics Reviews 2021, 8(3), 031416. (一区, TOP, IF=19.162) (Featured Paper)

4. Hongjian Zhang, Yufei Lu, Wenqi Han, Jixin Zhu,* Yu Zhang,* Wei Huang,* Solar Energy Conversion and Utilization: Towards the Emerging Photo-Electrochemical Devices Based on Perovskite Photovoltaics. Chemical Engineering Journal 2020, 393, 124766. (一区, TOP, IF=10.652)

二、专利

1. 张洪健，朱纪欣，卢宇飞， 一种可穿戴式温度传感器及其制备方法202110058998.0（发明专利）

2. 韩汶杞，朱纪欣，张洪健， 一种基于柔性应变传感器的机械手同步控制演示仪，CN213005283 U，2020（实用新型专利）

三、科技奖励

2021年全国柔性电子博士生学术联赛 “西北赛区一等奖”