Sensor Medangan Medidang Lanjutan Menggunakan Nanowires Ag dan PDMS Terinfusi Nanopartikel Medidang

Latar Belakang

Perangkat elektronik fleksibel baru-baru ini telah menarik perhatian besar karena kemampuan interaksi dan pemantauan jangka panjang yang mudah [1,2,3,4,5]. Mereka menjadi salah satu sensor listrik yang paling menjanjikan karena keuntungan seperti berat ringan, portabel, properti listrik yang excellent, dan integrasi tinggi [6,7,8,9,10,11]. Tidak diragukan lagi, nanomaterial memainkan peran yang tidak dapat digantikan dalam sensor fleksibel karena properti luar biasa mereka, misalnya ukuran kecil, efek permukaan, dan efek terowong kuantum [12,13,14]. Berdasarkan efek terowong resonan nanomaterial, banyak penelitian berfokus pada sensor strain piezoresistif yang resistansinya berubah dengan deformasi [15,16,17]. Salah satu aplikasi kunci sensor strain lunak adalah kulit elektronik fleksibel, jadi multifungsionalisasi adalah tren perkembangan sensor. Beberapa laporan menyatakan penambahan modul sensing suhu [18, 19] dan kelembaban [20, 21] dalam array sensing strain.

Selain kemampuan sensing strain, suhu, dan kelembaban, array sensing kulit elektronik sangat membutuhkan beberapa fungsi baru. Dengan kata lain, lebih banyak fungsi membuat kulit elektronik lebih cerdas. Di antara fungsi baru, sensing medangan adalah aplikasi baru. Harus disebutkan bahwa hanya sensor medangan medidang yang dapat digunakan sebagai modul untuk kulit elektronik di masa depan. Karena sensor medangan medidang lunak dapat digunakan di area yang lebih kompleks berdasarkan fleksibilitas dan elastisitasnya, beberapa peneliti bekerja di bidang ini [22,23,24,25,26]. Chlaihawi et al. menyiapkan sensor tipis film ME fleksibel untuk aplikasi sensing H_ac [27]. Jogschies et al. menyelidiki lapisan NiFe 81/19 poliamida tipis untuk sensing medangan [28]. Tekgül et al. menerapkan lapisan berlapis CoFe/Cu magnetik pada sensor GMR [29]. Melzer et al. melaporkan sensor medangan medidang fleksibel yang bergantung pada efek Hall [30]. Sejumlah sensor medangan medidang optik fleksibel juga telah diteliti [31,32,33,34]. Dibandingkan detektor medangan tradisional, sensor medangan medidang fleksibel lebih mudah digunakan dan lebih kecil serta lebih cocok untuk deteksi di lingkungan kompleks. Namun, sejauh kami tahu, studi tentang sensor medangan medidang lunak yang menghadapi kulit elektronik multifungsi jarang dilaporkan.

Karena properti elektronik dan magnetik yang excellent dari Ag NWs [35,36,37] dan MNs (Ni-Fe) [38, 39] masing-masing, karya ini mengusulkan desain dan pengukuran sensor medangan medidang fleksibel AgNWs & MNs-PDMS dengan struktur sandwich berdasarkan efek magnetostriksi dan piezoresistif. MNs diperkenalkan sebagai unit sensitif medangan dalam sensor strain piezoresistif berbasis AgNWs. Deformasi magnetostriksi yang berbeda dari sensor AgNWs & MNs-PDMS menyebabkan variasi resistansi yang berbeda. Setelah karakterisasi nanomaterial, tiga rasio massa yang berbeda dari MNs dan AgNWs (AgNWs & MNs; 1:1, 1:2, 1:5) digunakan untuk menyiapkan sensor medangan medidang fleksibel. Sebelum properti sensing medangan sensor diteliti, hubungan antara perubahan resistansi dan meregang atau menarik dicoba untuk menyimpulkan interaksi MNs dan AgNWs. Berdasarkan hasil karakterisasi, sensor medangan yang diperoleh dalam karya ini dapat diterapkan pada kulit elektronik multifungsi di masa depan.

Metode

Persiapan Sensor Fleksibel

MNs disintesis dengan metode campuran lateks [24, 25]. Diameter dan panjang AgNWs (yang dibeli dari Changsha Weixi New Material Technology Corporation, China, dalam panjang) adalah 50 nm dan 20 μm, masing-masing. Rasio massa yang berbeda dari MNs dan AgNWs dipilih untuk meneliti jumlah yang tepat dari nanomaterial. Dengan demikian, MNs dan AgNWs dalam rasio massa 0:1, 1:5, 1:2, dan 1:1 didisperdi secara ultrasonik dalam etanol murni. Gambar 1 menunjukkan skema proses pembuatan sensor. Elastomer PDMS dan penyilang dalam rasio massa 10: 1 ditetapkan pada substrat dengan pita persegi panjang yang ditempelkan. Setelah dipanaskan pada 70 °C selama 2 jam, PDMS dengan ranjauan dikupas dan dipotong ke bentuk yang diperlukan, dan ukuran ranjauan adalah 30 mm × 5 mm. Empat sampel AgNWs & MNs dalam rasio berbeda diisi ke dalam ranjauan film PDMS masing-masing. Dua elektroda tembaga lunak dipasang di kedua sisi, dan kemudian PDMS ditetapkan di atas untuk memfiksasi elektroda dan nanomaterial. Setelah dipanaskan pada 70 °C selama 2 jam, sensor diperoleh.

Skema desain struktural dan diagram alur proses pembuatan sensor

Karakterisasi

AgNWs & MNs dengan rasio campuran yang berbeda dikarakterisasi melalui mikroskop elektron skaning (SEM, S4700 SEM Hitachi Corporation, Tokyo, Jepang). Komponen AgNWs & MNs dalam rasio massa yang berbeda dikarakterisasi dengan pengukuran XRD (Buker D8 Advance) menggunakan radiasi Cu K dengan panjang gelombang 1.5406 Å.

Kurva arus-tegangan diukur oleh Keithley 2400 Source Meter pada suhu ruang (suhu ruang adalah 25 °C). Eksperimen meregang dilakukan pada platform meregang (Zolix TSM25-1A dan Zolix TSMV60-1 s, Zolix Corporation, Beijing, Cina), dan resistansi sensor diukur oleh Keithley 2400 Source Meterat. Eksperimen sensing medangan dilakukan saat sensor fleksibel dipasang dalam medangan yang berbeda. Intensitas medangan dimulai dari 0 T dan meningkat sebesar 0.1 T.

Hasil dan Pembahasan

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

Spektrum XRD dari MNs

Citra SEM dari 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 ditampilkan pada Gambar 3b–d. Jumlah kecil MNs di antara Ag NWs dapat diamati pada Gambar 3b. Jaringan pada Gambar 3c lebih longgar dibandingkan Gambar 3a, b yang jelas. Selain itu, lenturan AgNWs dan lebih banyak MNs dapat dilihat pada Gambar 3d. Jaringan konduktif yang dibangun oleh AgNWs dan jumlah MNs meningkat secara nyata pada Gambar 3a–d. Campuran seragam Ag NWs dan MNs, yang ditampilkan pada Gambar 3a–d, memainkan peran penghubung untuk meningkatkan sensitivitas sensor saat meregang atau menyusut. Peran yang dimainkan AgNWs dan MNs dapat dijelaskan oleh hasil pada Gambar 3.

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

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

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

Dapat dihitung dari Gambar 4a bahwa resistansi sensor adalah 41.58 Ω ketika unit sensitif 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 menurunnya resistansi ketika MNs diperkenalkan ke dalam sel sensitif. Dengan membandingkan resistansi keempat sensor, dapat disimpulkan bahwa resistansi sensor medangan medidang fleksibel menurun seiring meningkatnya proporsi MNs, dan resistansi minimum terjadi pada sensor dengan AgNWs & MNs dalam rasio massa 1:1. Ini juga dapat membuktikan bahwa campuran AgNWs & MNs dalam proporsi tertentu membantu mengurangi resistansi, karena komponen konduktif MNs menambahkan lebih banyak jalur konduktif dalam jaringan.

Hubungan antara perubahan resistansi, dan meregang atau menarik dicoba untuk menyimpulkan interaksi antara MNs dan AgNWs selama deformasi. Perubahan resistansi relatif dari sensor berdasarkan AgNWs & MNs dengan perluasan pada suhu ruang ditunjukkan pada Gambar 5a–d. Perubahan resistansi selama proses meregang direpresentasikan oleh kurva hitam, dan perubahan resistansi selama proses lepuran diplot oleh kurva merah. ΔR dan R₀ mewakili perubahan resistansi relatif di bawah deformasi dan resistansi awal sensor, dan L₀ dan ΔL mewakili panjang awal dan perluasan relatif spesimen aksial sensor. Faktor indikator sensor dapat dihitung melalui persamaan faktor indikator (GF) = ΔR/R₀: ΔL/L₀. Gambar 5a menunjukkan bahwa sensor berdasarkan AgNWs konduktif dalam proses meregang dan pemulihan ketika panjang meregang berada dalam 7.12% dari panjang aslinya, dan GF-nya adalah 129.6. Resistansi meningkat selama meregang. Ini dapat disebabkan oleh peningkatan jarak antara AgNWs dalam sensor selama deformasi, saluran terowong, dan jalur konduktif berkurang dengan cara ini. Proses terbalik menyebabkan penurunan resistansi selama menarik. Ketika MNs diperkenalkan ke dalam unit sensitif, karakteristik sensing strain dari perangkat fleksibel juga berubah. Resistansi sensor berdasarkan AgNWs & MNs dalam rasio massa 5:1 berubah hampir linier ketika rentang meregang berada dalam 4.4% dari panjang aslinya pada Gambar 5b. Ketika panjang meregang lebih dari 3.9% dari panjang aslinya, peningkatan resistansi yang lebih tinggi terjadi. GF sensor meningkat menjadi 257, yang berarti sensitivitas sensor meningkat dibandingkan sensor berdasarkan AgNWs murni. Namun, rentang strain tidak ditingkatkan oleh partisipasi MNs 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 linier ketika rentang meregang 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 linier ketika rentang meregang berada dalam 9% dari panjang aslinya. Ketika panjang meregang lebih dari 9% dari panjang aslinya, resistansi berubah secara substansial, dan GF adalah 222.2. Secara ringkasan, sensor medangan medidang fleksibel berdasarkan AgNWs & MNs dalam rasio massa 2:1 menunjukkan GF terbesar 264.4, dan memiliki rentang meregang yang cukup besar. Selain itu, sensor ini bereaksi lebih sensitif seiring meningkatnya stres, perubahan resistansi memiliki hubungan linier yang lebih baik. Berdasarkan bahan utama MNs adalah FeCo, yang adalah logam alloy konduktif. Membandingkan keempat jenis sensor ini, partisipasi MNs yang lebih membuat lebih banyak jalur konduktif dalam unit sensitif selama meregang. Namun, rasio MNs yang lebih tinggi dalam Ag NWs & MNs dalam kualitas yang sama berarti jumlah Ag NWs yang lebih sedikit, yang berbahaya untuk stabilitas jaringan konduktif selama deformasi. Itu adalah alasan penurunan resistansi relatif pada perpindahan 9%. Akibatnya, AgNWs & MNs dalam rasio massa 1:1 adalah jumlah MNs tertinggi yang kami desain dalam karya ini, dan sensor berdasarkan AgNWs & MNs dalam rasio massa kurang dari 1:1 tidak konduktif secepat meregang. Hasil dari Gambar 5 menunjukkan bahwa efek sinergis AgNWs dan MNs dalam rasio tertentu meningkatkan sensitivitas dan rentang strain.

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

MNs mungkin bergerak lebih dekat di bawah medangan, jadi magnetostriksi dapat menyebabkan penyusutan sensor. Untuk mengkarakterisasi interaksi AgNWs dan MNs dalam sensor selama penyusutan, kami mengukur perubahan resistansi selama penyusutan, dan hasil eksperimen ditunjukkan pada Gambar 6. Gambar 6a menunjukkan bahwa sensor berdasarkan AgNWs konduktif dalam proses penyusutan dan pemulihan ketika panjang penyingkatan berada dalam 1.6% dari panjang aslinya, dan GF tertingginya adalah 13.75; AgNWs yang disematkan dalam PDMS bertemu bersama selama proses penyusutan, yang mengarah pada peningkatan jalur konduktif. Oleh karena itu, resistansi menurun seiring meningkatnya gaya penyingkatan. Penurunan jarak antara AgNWs dalam sensor, lebih dan lebih nanowire tumpang tindih, mengakibatkan penurunan resistansi sensor. Ketika kami memperkenalkan MNs ke dalam AgNWs, Gambar 6b mengilustrasikan karakteristik penyusutan perangkat fleksibel berdasarkan AgNWs & MNs dalam rasio massa 5:1. Resistansi sensor berubah dengan rentang penyusutan sebesar 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 MNs dalam unit sensitif, resistansi sensor berdasarkan AgNWs & MNs 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 dalam rasio massa 5:1 dengan penyusutan lebih besar dari tiga sensor lainnya, dan sensitivitas terbesar. Sebaliknya pada proses meregang, resistansi semua sensor menurun seiring meningkatnya panjang penyingkatan. Ketika rasio massa AgNWs & MNs adalah 5:1, sensor memiliki koefisien sensitivitas tertinggi selama proses penyusutan, yang GF tertingginya adalah 24. Membandingkan Gambar 6a–d, jumlah MNs yang lebih sedikit menghubungkan jalur konduktif lebih mudah karena ada lebih banyak ruang untuk bahan bergerak saat menyusut, yang berlawanan dengan hasil Gambar 5. Oleh karena itu, GF sensor berdasarkan AgNWs & MNs dalam rasio massa 5:1 adalah tertinggi saat menyusut. Hasil dari Gambar 6 menunjukkan bahwa efek sinergis terjadi ketika AgNWs dan MNs pada rasio yang lebih besar.

Perubahan resistansi 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 medangan yang berbeda, perubahan resistansi sensor medangan medidang fleksibel yang berbeda ditunjukkan pada Gambar 7. Resistansi sensor berdasarkan AgNWs adalah 41.58 Ω. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7a, kami meletakkan sensor berdasarkan AgNWs murni dalam medangan yang meningkat secara bertahap, dan resistansi sensor berubah seiring getarannya. Akibat efek magnetostriksi bahan logam, resistansi sensor sedikit berubah. Laju perubahan resistansi maksimum adalah 0.037 ketika kekuatan medangan adalah 0.4 T. Resistansi sensor berdasarkan AgNWs & MNs dalam rasio massa 5:1 juga menurun seiring meningkatnya kekuatan medangan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7b. Dibandingkan sensor tanpa MNs, perubahan resistansi sensor berdasarkan AgNWs & MNs dalam rasio massa 5:1 dengan perubahan medangan lebih nyata. Ketika kekuatan medangan adalah 0.4 T, laju perubahan resistansi maksimum adalah 0.28. Pada Gambar 7c, d, aplikasi yang sama pada sensor berdasarkan AgNWs & MNs dalam rasio massa 2:1 dan 1:1, dan perubahan resistansi adalah 0.14 dan 0.19 seiring meningkatnya medangan masing-masing. Sensitivitas sensor berdasarkan AgNWs & MNs dalam rasio massa 5:1 adalah tertinggi, dan variasi resistansi berkelanjutan dengan medangan ditunjukkan pada Gambar 8. Perbandingan parameter sensor strain berdasarkan rasio berbeda MNs dan AgNWs disajikan pada Tabel 1.

Perubahan resistansi dalam medangan yang berbeda

Hubungan antara resistansi dan medangan yang berbeda

Dapat dihitung bahwa sensitivitas sensor medangan medidang adalah 24.14 Ω/T. Dalam kesimpulan, ketika rasio massa MNs dan AgNWs adalah 1:5, respon sensor terhadap perubahan medangan paling sensitif dengan sensitivitas 24.14 Ω/T. Sensor medangan medidang fleksibel yang diperoleh dalam karya ini dapat diterapkan lebih lanjut untuk deteksi intensitas medangan. Hasil uji aplikasi ini sesuai dengan proses penyusutan sensor saat membandingkan hasil pada Gambar 7 dan 8. Ini berarti bahwa nanomaterial dalam sensor bergerak bersama saat ditempatkan dalam medangan. Analisis mekanisme dijelaskan secara detail sebagai berikut.

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

Model sensing skematis sensor medangan medidang lunak berbasis AgNWs & MNs-PDMS

Kesimpulan

Perangkat yang dirancang dalam karya ini sesuai dengan tren perkembangan elektronik fleksibel. Sensor medangan medidang fleksibel berbasis AgNWs & MNs-PDMS dengan struktur sandwich telah diteliti dalam karya ini. Berdasarkan karakterisasi SEM dan XRD, komponen dan morfologi berbagai rasio nanomaterial ditentukan. Kemudian, kurva arus-tegangan dan perubahan resistansi sensor berdasarkan AgNWs & MNs dalam rasio massa 1:0, 5:1, 2:1, dan 1:1 dengan meregang dan menyusut diukur masing-masing. Interaksi antara AgNWs dan MNs selama deformasi disimpulkan dari hasil karakterisasi. Kemudian, sensor berdasarkan berbagai rasio massa MNs dan AgNWs diteliti untuk properti sensing medangan. Ketika rasio massa AgNWs dan MNs adalah 5:1, sensor yang disiapkan menunjukkan sensitivitas tertinggi 24.14 Ω/T. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa sensor menyusut seiring meningkatnya intensitas medangan. Selain itu, model sensing magnetostriksi dan piezoresistif dirintis untuk menjelajahi mekanisme sensor ini.

Singkatan

AgNWs:

Nanowires Ag

GF:

Faktor indikator

MNs:

Nanopartikel medidang

PDMS:

Polidimetilsiloksana

SEM:

Mikroskop elektron skaning

XRD:

Difraksi X-ray