早在20世紀(jì)70年代，電子皮膚的概念就已經(jīng)出現(xiàn)在很多科幻作品中。與此同時(shí)，科學(xué)家也開始對(duì)電子皮膚不斷進(jìn)行探索，因?yàn)樗谥悄軝C(jī)器人、仿生假肢、健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有巨大應(yīng)用前景。電子皮膚的基本單元是柔性應(yīng)變傳感器。然而，現(xiàn)有的應(yīng)變敏感材料，由于導(dǎo)電性差、能耗高、制作工藝復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)，極大地限制了電子皮膚的實(shí)際應(yīng)用。所以，尋找新型應(yīng)變傳感材料迫在眉睫。
金屬合金是人類最早并且至今仍在日常生活中使用最廣泛的材料之一。然而，晶體金屬合金的彈性極限范圍很小，一般金屬合金材料的彈性極限遠(yuǎn)小于<0.5%,這是金屬材料應(yīng)用在電子皮膚領(lǐng)域最大的短板?？焖偌彼倮鋮s是制備新型合金材料的現(xiàn)代方法，這種方法可以將金屬液體無序的原子結(jié)構(gòu)保留下來，得到的非晶合金材料可以極大地提高其彈性極限范圍， 高達(dá)>2%， 是一般合金材料的幾十倍。 非晶合金又能將金屬優(yōu)良的導(dǎo)電性也較好地保留下來。利用非晶合金材料這些特性，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）極端條件實(shí)驗(yàn)室EX04組博士研究生咸海杰在汪衛(wèi)華研究員、白海洋研究員、柳延輝研究員的指導(dǎo)下，最近研制了一種新型柔性高性能應(yīng)變傳感器——非晶合金皮膚。
非晶合金皮膚是通過離子束濺射方法將ZrCuNiAl等非晶合金薄膜直接生長(zhǎng)在柔性塑（PC）襯底上得到的。 非晶合金傳感器柔性好（彎曲角>180?）見圖1a，通過對(duì)薄膜厚度的調(diào)控可以視覺上變得“透明”（圖1c）。對(duì)該傳感器進(jìn)行的壓阻效應(yīng)測(cè)試結(jié)果表明，非晶合金皮膚保留了金屬材料高電導(dǎo)率（>5000 S cm-1）、而且電阻與應(yīng)變之間有完美的線性關(guān)系、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。同時(shí)，與傳統(tǒng)晶態(tài)金屬材料相比，彈性范圍有很大的提高（室溫下的理論彈性極限為4.2%）（圖2）。 圖2 顯示非晶合金皮膚甚至可以用來靈敏地監(jiān)測(cè)手指彎曲程度。此外，該傳感器有極小的電阻溫度系數(shù)（9.04×10-6 K-1）（圖3），明顯的抗菌性等特點(diǎn)（圖4）。另外， 非晶柔性應(yīng)變傳感器制備方法簡(jiǎn)單，制造成本低。利用非晶合金柔性應(yīng)變傳感器這些獨(dú)特性質(zhì)，有望推動(dòng)電子皮膚的早日實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)也為非晶合金材料的應(yīng)用開辟新的途徑。
相關(guān)工作“Flexible strain sensors with high performance based on metallic glass thin film”近日發(fā)表在Applied Physics Letters（111, 121906，2017）上。
本項(xiàng)研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51571209 and 51461165101）、973項(xiàng)目（2015CB856800），和中科院前沿局重點(diǎn)項(xiàng)目的資助。
文章鏈接：http://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.4993560
圖一：（a）金屬合金皮膚的光學(xué)照片。（b）XRD和TEM表明它的無序原子結(jié)構(gòu)。（c）“透明”的非晶合金皮膚。（d）非晶合金皮膚的透光率隨厚度的變化。
圖二：（a）非晶合金皮膚電阻隨應(yīng)變的變化。（b）循環(huán)測(cè)試結(jié)果。（c）1000次彎折后的結(jié)果。（d）非晶合金皮膚用來監(jiān)測(cè)手指彎曲程度的示意圖。
圖三：（a）非晶合金皮膚靈敏度系數(shù)隨暴露在空氣中時(shí)間的變化。（b）電阻溫度系數(shù)。（c）靈敏度系數(shù)隨沉積速率和膜厚的變化。（d）與其他材料電子皮膚相比，非晶合金皮膚有很好的熱穩(wěn)定性。
圖四：非晶合金皮膚的抗菌性能。
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