专栏名称: 高分子科技

高分子科技®做为全球高分子产业门户及创新平台“中国聚合物网www.polymer.cn”的新锐媒体，实时报道高分子科学前沿动态，关注和分享新材料、新工艺、新技术、新设备等一线科技创新设计、解决方案，促进产学研及市场一体化合作的共同发展。

四川大学卫丹/范红松 AFM：相分离调控的梯度导电结构压力传感器

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2024-09-04 12:53

正文

请到「今天看啥」查看全文

点击上方 “ 蓝字 ” 一键订阅

压阻式压力传感器通过捕捉外部压力信号并将其转化为可读的电信号，在人体健康监测中扮演着重要角色。信号线性度、信号灵敏度和检测范围是压力传感器的重要指标。针对传感材料的精细微观结构设计是提高其信号灵敏度的主要策略，但对于信号线性度和检测范围的提升有限，其根本原因是传感材料内极易达到的饱和电流。本研究通过化学掺杂与激光协同的双策略调控导电高分子的相分离，并通过传感材料的梯度电导率设计，有效延缓了饱和电流的形成，提升了信号线性度与检测范围。

近日， 四川大学范红松教授、卫丹专职博士后 等设计开发了一种基于多巴胺（ DA ） / 激光的双策略用于调控聚（ 3,4- 乙二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸）（ PEDOT:PSS ）的相分离程度，并实现了 PEDOT:PSS 的电导率广泛可调和微结构设计，构建了基于 PEDOT:PSS 电导率梯度设计和微槽互锁结构的压阻式压力传感器，该传感器展现出了极高的应力传感灵敏度（ 4×10 ⁵ kPa ^-1 ）、宽检测范围（ 100 kPa 内 ) 下的高线性响应度（ 99.74% ）（图 1 ）。

图 1. 激光 / DA 双策略诱导 PEDOT:PSS 相分离和微结构形成，用于构建具有高线性度、高灵敏度和宽检测范围的压阻式压力传感器

PEDOT:PSS 为两相分布的高分子导电材料，其中 PEDOT ⁺ 为导电相，绝缘但亲水的 PSS ^- 承担水分散角色，促进 PEDOT 和 PSS 两相分离是调控 PEDOT:PSS 电导率的主要手段。该研究团队首先聚焦于激光对于 PEDOT:PSS 相分离的调控。一方面，激光的热效应作用于 PEDOT:PSS ，使得 PEDOT 与 PSS 之间的库仑力被削弱；另一方面，激光能够电离周遭空气形成等离子体，进一步形成由等离子体构成的光生电场，进而引发带相反电荷且作用力被削弱的两相在电场引导下发生分离。由于 PSS 的分解温度低于 PEDOT ，分离后的 PSS 相在激光热效应下进一步热分解，进而增加了体系中 PEDOT 导电相的含量，提高了材料的电导率。此外，激光的高分辨率加工特性赋予了其精细的微结构设计能力，能够在诱导 PEDOT:PSS 相分离的同时实现其微结构的精细化设计。但是，过高的激光强度会致使 PEDOT 碳化，从而破坏体系的共轭导电结构。

图 2. 激光诱导 PEDOT:PSS 相分离的机理及碳化形成

化学掺杂是调控 PEDOT:PSS 相分离的另一重要手段，但是大多掺杂剂具有生物毒性。该研究团队采用生物相容的 DA 作为掺杂剂，协同激光处理，实现了对 PEDOT:PSS 更广范围的相分离调控（双策略处理的 PEDOT:PSS 简称为 LPPD ）。双策略诱导相分离原理为： DA 的伯胺基团与 PSS 的磺酸离子之间的静电作用削弱了 PEDOT 与 PSS 之间的库仑力，从而协同激光增强了 PEDOT:PSS 中的相分离程度。 AFM ， TGA 和 XPS 结果证实，相较于单一 DA 掺杂或激光处理，双策略处理后的 PEDOT:PSS 材料展现出更明显的相分离程度（ PEDOT/PSS 含量比例为 0.67:0.33 ）。由于二次掺杂效应在 PEDOT 链脱离 PSS 后发生，此时 PEDOT 会经历由苯式结构向醌式结构的转变， Raman 光谱显示出经双策略处理的 PEDOT:PSS 出现更为明显的构象转变（苯式结构 / 醌式结构比例为 0.88:0.12 ）。

图 3. DA/ 激光双策略处理诱导 PEDOT:PSS 相分离

PEDOT 链从 PSS 链分离后，会在 π-π 共轭作用下形成半结晶富集域。该研究团队随后利用 GIWAXS 探究经双策略处理后 PEDOT 结晶情况，发现双策略处理后 PEDOT 的 π-π 共轭晶格间距显著降低，同时 PEDOT:PSS 的（ 100 ）晶面出现了新的晶体结构，该晶体结构的晶格间距也小于未处理的 PEDOT:PSS （ 100 ）晶面的间距，表明导电结构的致密化形成，将有利于电子传输。

图 4. 双策略处理的 LPPD 晶体结构

经双策略处理后得到的 LPPD 具备致密的 PEDOT 导电结构，且绝缘 PSS 在激光热效应下被部分分解，体系中的导电通路相比于原始 PEDOT:PSS 更为高效。同时 DA 上的半醌基团具备强吸电子效应， PEDOT 的 π 电子云上的活跃电子倾向于向 DA 转移，这种电子转移机制进一步强化了体系的电子导电通路，使得 LPPD 的电导率高达 4525 S/cm 。

图 5. 双策略处理的 LPPD 电化学性能

基于 DA 和激光对于 PEDOT:PSS 相分离程度的调控，该研究团队开发出了具有多层梯度导电结构且带有微沟槽结构的传感导电材料层，并结合同样具有微沟槽结构的叉指电极实现了传感导电层和检测层的机械互锁。这种微结构设计有利于传感器对外加压力的感知能力，显著提升了传感器的灵敏度（ 4×10 ⁵ kPa ^-1 ）。同时，梯度导电结构通过逐层级联电流激活，避免了单层电流过饱和导致线性度的缺失，最终实现了大压力范围下（ 100kPa ）的线性电流变化（ 99.74% ）。

图 6. 高精度柔性压力传感器的制备与表征

该研究团队发现传感器的检测范围涵盖微小压力区间、常见压力区间以及大压力区间，能够用于气流及脉搏产生的微弱压力检测、常见压力区间范围内的动作检测和 100-1500 kPa 区间压力下的步态检测。

图 7. 高精度柔性压力传感器的应用

总结：该研究团队通过 DA/ 激光双策略诱导导电高分子相分离，结合机械互锁共面结构与电导率梯度设计，开发了一种高性能柔性压阻式压力传感器。通过激光诱导的光热效应、光生电场以及 DA 与 PSS 链间的静电作用，实现了对 PEDOT:PSS 的相分离控制，进而实现了 PEDOT:PSS 电导率的广泛可调。通过传感电极层与叉指电极层的共面互锁微槽结构，并结合梯度导电 PEDOT:PSS 传感层内的级联激活电流，有效调节了电流饱和形成，使该传感器在 0-100 kPa 范围内展现出卓越的灵敏度（ 4 × 10 ⁵ kPa ^-1 ）和线性度（ 99.74% ），为下一代可穿戴设备的设计提供了优化方案。

以上研究成果近期以 “Phase Separation Manipulated Gradient Conductivity for A High-Precision Flexible Pressure Sensor” 为题，发表在《 Advanced Functional Materials 》上。四川大学生物医学工程学院 / 国家生物医学材料工程技术研究中心 曾明泽 博士为文章第一作者， 范红松 教授和卫丹专职博士后为文章的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、四川省自然科学基金等资助。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202411390