Sensor Medan Magnet Fleksibel Berdasarkan AgNWs &MNs-PDMS

Hasil dan Diskusi

Spektrum XRD MN ditunjukkan pada Gambar 2. Puncak karakteristik menunjukkan bahwa MN tersusun dari FeCo, FeNi, dan Co(OH)₂ . Hasilnya menunjukkan bahwa semua komposisi ini adalah bahan magnetik.

Spektrum XRD dari MN

Gambar SEM AgNWs &MNs ditampilkan pada Gambar. 3. Ag NWs murni dengan panjang 20 μm dan diameter 50 nm membentuk jaringan linier yang dapat diamati pada Gambar. 3a. Morfologi AgNWs &MNs dalam rasio massa 5:1, 2:1, dan 1:1 ditunjukkan pada Gambar. 3b–d. Sejumlah kecil MN di antara Ag NWs dapat diamati pada Gambar. 3b. Jaringan pada Gbr. 3c lebih jarang dibandingkan dengan Gbr. 3a, b jelas. Selain itu, pembengkokan AgNW dan lebih banyak MN dapat dilihat pada Gambar. 3d. Jaringan konduktif yang dibangun oleh AgNW dan jumlah MN tampaknya meningkat pada Gambar 3a–d. Pencampuran seragam Ag NWs dan MNs, yang ditunjukkan pada Gambar. 3a–d, memainkan peran penghubung untuk meningkatkan sensitivitas sensor saat meregangkan atau menyusut. Peran yang dimainkan AgNW dan MN dapat dijelaskan melalui hasil pada Gambar. 3.

a AgNWs &MNs dalam rasio massa 1:0, b 5:1, c 2:1, dan d 1:1

Kurva IV dari sensor berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa 1:0, 5:1, 2:1, dan 1:1 ditunjukkan pada Gambar. 4. Keempat kurva semuanya merupakan garis lurus halus, yang mewakili empat sensor menunjukkan karakteristik ohmik yang signifikan. Ini menyatakan bahwa sensor ini konduktif dan stabil tanpa deformasi.

Kurva IV sensor berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa a 1:0, b 5:1, c 2:1, dan d 1:1

Dari Gambar 4a dapat dihitung bahwa resistansi sensor adalah 41,58  Ω jika unit sensitifnya adalah AgNWs murni. Resistansi sensor berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa 1:0, 5:1, 2:1, dan 1:1 adalah 30.2 Ω, 5.04 Ω, dan 2.87 Ω seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b–d. Ini menunjukkan tren resistensi yang menurun ketika MN dimasukkan ke dalam sel sensitif. Membandingkan resistansi keempat sensor, dapat disimpulkan bahwa resistansi sensor medan magnet fleksibel menurun dengan meningkatnya proporsi MN, dan resistansi minimal terjadi pada sensor dengan AgNWs &MNs dalam rasio massa 1:1. Hal ini juga dapat membuktikan bahwa pencampuran AgNWs &MNs dalam proporsi tertentu membantu mengurangi resistensi, karena komponen konduktif dari MNs memimpin jalur yang lebih konduktif dalam jaringan.

Hubungan antara perubahan resistensi, dan peregangan atau retraksi dipelajari untuk menyimpulkan interaksi antara MNs dan AgNWs selama deformasi. Perubahan resistensi relatif dari sensor berbasis AgNWs &MNs dengan ekstensi di bawah suhu kamar ditunjukkan pada Gambar. 5a–d. Perubahan resistansi selama proses peregangan diwakili oleh kurva hitam, dan perubahan resistansi selama proses pelepasan diplot oleh kurva merah. R dan R ₀ mewakili perubahan resistansi relatif di bawah deformasi dan resistansi awal sensor, dan L ₀ dan L mewakili panjang awal dan perpanjangan relatif dari spesimen aksial sensor. Faktor pengukur dari sensor dapat dihitung melalui persamaan faktor pengukur (GF) = ΔR /R ₀ :L /L ₀ . Gambar 5a menunjukkan bahwa sensor berbasis AgNWs bersifat konduktif dalam proses peregangan dan pemulihan ketika panjang tarik berada dalam 7,12% dari panjang aslinya, dan GF-nya adalah 129,6. Resistensi meningkat selama peregangan. Ini dapat dikaitkan dengan peningkatan jarak antara AgNW di sensor selama deformasi, saluran tunneling, dan jalur konduktif berkurang dengan cara ini. Proses sebaliknya menyebabkan penurunan resistensi selama retraksi. Ketika MN dimasukkan ke dalam unit sensitif, karakteristik penginderaan regangan dari perangkat fleksibel juga berubah. Resistansi sensor berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa 5:1 berubah hampir secara linier ketika rentang peregangan berada dalam 4,4% dari panjang aslinya pada Gambar 5b. Ketika panjang tarik lebih dari 3,9% dari panjang aslinya, peningkatan resistensi yang lebih tinggi terjadi. GF sensor meningkat menjadi 257, yang berarti sensitivitas sensor meningkat dibandingkan dengan sensor berdasarkan AgNWs murni. Namun, rentang regangan tidak ditingkatkan dengan partisipasi MN dalam rasio massa 5:1, yang dapat diamati pada Gambar 5a, b. Gambar 5c menunjukkan bahwa resistansi sensor berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa 2:1 berubah secara linier saat rentang peregangan berada dalam 8,7% dari panjang aslinya, dan GF sensor adalah 264,4, yang lebih tinggi dari sensor berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa 1:0 dan 5:1. Pada Gambar. 5d, resistansi sensor berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa 1:1 berubah secara linier ketika rentang peregangan berada dalam 9% dari panjang aslinya. Ketika panjang tarik lebih dari 9% dari panjang aslinya, resistansi berubah secara substansial, dan GF adalah 222,2. Singkatnya, sensor medan magnet fleksibel berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa 2:1 menunjukkan GF terbesar dari 264,4, dan memiliki rentang peregangan yang relatif besar. Selain itu, sensor ini merespon lebih sensitif saat stres meningkat, perubahan resistansi memiliki hubungan linier yang lebih baik juga. Berdasarkan bahan utama MNs adalah FeCo, yang merupakan paduan konduktif. Membandingkan empat jenis sensor ini, semakin banyak partisipasi MN membuat jalur yang lebih konduktif di unit sensitif selama peregangan. Namun, rasio MN yang lebih tinggi dalam Ag NWs &MNs dalam kualitas yang sama berarti lebih sedikit keberadaan Ag NWs, yang berbahaya bagi stabilitas jaringan konduktif selama deformasi. Itulah alasan resistensi relatif terjun pada perpindahan 9%. Akibatnya, AgNWs &MNs dalam rasio massa 1:1 adalah jumlah MNs tertinggi yang kami rancang dalam pekerjaan ini, dan sensor berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa kurang dari 1:1 non-konduktif segera setelah peregangan. Hasil Gambar 5 menunjukkan bahwa efek sinergis AgNWs dan MNs dalam rasio tertentu meningkatkan sensitivitas dan rentang regangan.

Perubahan resistensi relatif dari sensor berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa a 1:0, b 5:1, c 2:1, dan d 1:1 dengan deformasi

MN dapat bergerak lebih dekat di bawah medan magnet, sehingga magnetostriksi dapat menyebabkan penyusutan sensor. Untuk mengkarakterisasi interaksi AgNWs dan MNs di sensor selama menyusut, kami mengukur perubahan resistansi selama menyusut, dan hasil eksperimen ditunjukkan pada Gambar. 6. Gambar 6a menunjukkan bahwa sensor berbasis AgNWs bersifat konduktif dalam proses penyusutan dan pemulihan ketika panjang kontraksi berada dalam 1,6% dari panjang aslinya, dan GF tertinggi adalah 13,75; AgNW yang tertanam dalam kontak PDMS bersama-sama selama proses penyusutan, yang mengarah pada peningkatan jalur konduksi. Oleh karena itu, resistensi menurun dengan meningkatnya gaya kontraktil. Berkurangnya jarak antar AgNW di sensor, semakin banyak nanowire yang tumpang tindih, mengakibatkan penurunan resistansi sensor. Ketika kami memperkenalkan MNs ke AgNWs, Gambar. 6b menggambarkan bahwa karakteristik menyusut dari perangkat fleksibel berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa 5:1. Resistansi sensor berubah dengan rentang penyusutan 2,5% dari panjang aslinya, dan GF tertinggi adalah 24. Secara substansial, perubahan resistansi yang sama juga berlaku untuk sensor berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa 2:1 dan 1:1, yang ditunjukkan pada Gambar. 6c, d. Meningkatkan rasio massa MN dalam unit sensitif, resistansi sensor berdasarkan AgNWs &MN dalam rasio massa 2:1 berubah ketika rentang penyusutan berada dalam 1,6% dari panjang aslinya, dan GF-nya adalah 21,875. Pada saat yang sama, resistansi sensor berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa 1:1 juga menurun ketika rentang penyusutan berada dalam 2,8% dari panjang aslinya, dan GF-nya adalah 20,35. Dapat disimpulkan bahwa perubahan resistansi sensor berdasarkan AgNWs &MNs dengan rasio massa 5:1 dengan shrink lebih besar dari ketiga sensor lainnya, dan sensitivitasnya paling besar. Berlawanan dengan proses peregangan, resistansi semua sensor berkurang seiring dengan bertambahnya panjang kontraksi. Ketika AgNWs &MNs dalam rasio massa adalah 5:1, sensor memiliki koefisien sensitivitas tertinggi selama proses kontraksi, yang GF tertinggi adalah 24. Membandingkan Gambar. 6a–d, jumlah MN yang lebih sedikit menghubungkan jalur konduktif lebih mudah karena ada lebih banyak ruang untuk material bergerak sebagai menyusut, yang bertentangan dengan hasil Gambar 5. Dengan demikian, GF sensor berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa 5:1 adalah yang tertinggi saat menyusut. Hasil Gambar 6 menunjukkan bahwa efek sinergis terjadi ketika AgNWs dan MNs pada rasio yang lebih besar.

Perubahan resistensi relatif dari sensor berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa a 1:0, b 5:1, c 2:1, dan d 1:1 dengan penyusutan

Dalam medan magnet yang berbeda, perubahan resistansi sensor magnetik fleksibel yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 7. Resistansi sensor berbasis AgNWs adalah 41,58 Ω. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a, kami menempatkan sensor berdasarkan AgNW murni dalam medan magnet yang meningkat secara bertahap, dan resistansi sensor berubah saat bergetar. Karena efek magnetostriktif dari bahan logam, resistansi sensor sedikit berubah. Laju perubahan resistansi maksimum adalah 0,037 ketika kekuatan medan magnet adalah 0,4 T. Resistansi sensor berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa 5:1 juga menurun dengan meningkatnya kekuatan medan magnet seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7b. Dibandingkan dengan sensor tanpa MN, perubahan resistansi sensor berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa 5:1 dengan perubahan medan magnet lebih jelas. Ketika kekuatan medan magnet adalah 0,4 T, laju perubahan resistansi maksimum adalah 0,28. Pada Gambar. 7c, d, aplikasi yang sama untuk sensor berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa 2:1 dan 1:1, dan perubahan resistansi adalah 0,14 dan 0,19 seiring dengan meningkatnya medan magnet. Sensitivitas sensor berdasarkan AgNWs &MNs dalam rasio massa 5:1 adalah yang tertinggi, dan variasi resistansi kontinu dengan medan magnet ditunjukkan pada Gambar. 8. Perbandingan parameter sensor regangan berdasarkan rasio yang berbeda MN dan AgNW disajikan pada Tabel 1.

Perubahan resistensi di medan magnet yang berbeda

Hubungan antara resistansi dan medan magnet yang berbeda

Dapat dihitung bahwa sensitivitas sensor medan magnet adalah 24,14 Ω/T. Kesimpulannya, ketika rasio massa MNs dan AgNWs adalah 1:5, respons sensor terhadap perubahan medan magnet paling sensitif dengan sensitivitas 24,14 Ω/T. Sensor medan magnet fleksibel yang diperoleh dalam pekerjaan ini dapat diterapkan lebih lanjut pada pendeteksian intensitas medan magnet. Hasil pengujian aplikasi ini sesuai dengan proses penyusutan sensor saat membandingkan hasil pada Gambar. 7 dan 8. Ini berarti bahwa nanomaterial di sensor bergerak bersama ketika ditempatkan di medan magnet. Analisis mekanisme mendeklarasikan secara rinci sebagai berikut.

Untuk memahami variasi resistansi sensor selama intensitas medan magnet yang berbeda, kami mengusulkan model sederhana untuk menggambarkan prinsip kerja sensor seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9. Banyak AgNW dan MN di PDMS membentuk jaringan konduktif. Jalur konduktif yang dibentuk oleh AgNWs dan MNs tanpa medan magnet ditunjukkan sebagai garis merah pada Gambar 9a. MNs cenderung seragam diatur di bawah medan magnet, yang ditunjukkan pada Gambar. 9b. Namun, ada ruang kecil untuk perubahan posisi MN, jadi hanya arah MN yang berubah dengan garis medan magnet. Intensitas medan magnet yang lebih tinggi berarti kekuatan MN yang lebih besar yang dapat mengatasi kendala jaringan AgNW. Arah pergerakan MN membuat Ag NWs berkumpul, yang menjadi alasan peningkatan jumlah jalur konduktif. Jalur yang lebih konduktif berarti lebih banyak transfer elektron, yang mengarah pada resistansi yang lebih rendah, resistansi menurun dengan meningkatnya intensitas medan magnet dengan cara ini.

Model penginderaan skematis sensor medan magnet lunak berbasis AgNWs &MNs-PDMS