Jaringan Starch-Ag Daur Ulang Berkinerja Tinggi untuk Elektroda Konduktif Transparan pada Sensor Sendi Fleksibel
Abstrak
Elektroda konduktif transparan fleksibel adalah komponen penting untuk perangkat optoelektronik fleksibel dan telah banyak dipelajari dalam beberapa tahun terakhir, sementara sebagian besar penelitian berfokus pada elektroda itu sendiri, sedikit topik mengenai keberlanjutan dan daur ulang materi. Dalam artikel ini, kami mendemontrasikan elektroda konduktif transparan (TCE) berkinerja tinggi, berdasarkan teknologi pecah kami sebelumnya, yang digabungkan dengan substrat hijau dan daur ulang, film pati. Ini tidak hanya menunjukkan Rs rendah (kurang dari 1,0 Ω sq−1), transparansi tinggi (> 82%, angka merit ≈ 10.000), tetapi juga menyediakan morfologi yang sangat halus dan daur ulang. Selain itu, serangkaian biosensor pada sendi manusia ditunjukkan, yang menunjukkan sensitivitas dan stabilitas mekanis yang luar biasa.
Pendahuluan
Saat ini, perangkat elektronik menghadapi banyak tantangan baru, seperti kompatibilitas, fleksibilitas mekanis, dan cara yang ramah lingkungan [1,2,3,4,5]. Di antaranya, elektroda konduktif transparan (TCE) sebagai komponen penting dari perangkat tersebut juga menghadapi tantangan baru, seperti transmisi optik yang tinggi, resistensi rendah, fleksibilitas, kompatibilitas biologis [6], biaya rendah [7], dan daur ulang [8]. Saat ini, oksida timah indium (ITO) [9] adalah TCE yang banyak digunakan, yang merupakan film kontinu dan kimiawi stabil. Namun, kerapuhannya yang diinduksikan oleh oksida logam dan biaya besar karena logam langka sangat membatasi perkembangan masa depannya. Di sisi lain, graphene/jaring logam [10, 11], misalnya jaring logam [12, 13] dan nanokawat logam [14,15,16,17,18,19], menghadapi masalah ketahanan dan kekasaran yang serius. Selain itu, biaya sintesis yang tinggi dan tidak dapat didaur ulang membuatnya tertahan di laboratorium.
Dibandingkan dengan itu, serangkaian TCE berdasarkan jaringan nano pecah (CNN) [20] telah ditemukan oleh kelompok kami, yang menunjukkan properti optoelektronik yang brilian, angka merit tinggi, dan fleksibilitas. Dengan teknologi plating listrik [21], kami lebih lanjut merealisasikan CNN basah penuh berdasarkan lem UV dengan resistensi lapisan ultra-rendah (0,13 Ω sq−1) dan morfologi halus [22]. Saat ini, semua substrat berdasarkan polimer non-terdegradasi intrinsik, yang mencegah daur ulang logam berharga, seperti Ag dan Au. Film pati adalah bahan substrat transparan dan fleksibel, dan yang lebih penting lagi, ini adalah bahan ramah lingkungan dan dapat terdegradasi dalam air. Jeong et al. [23] menambahkan PVA ke dalam film pati dan memproduksi TCE fleksibel dan dapat dibuang; sehingga, ini menunjukkan potensi besar film pati sebagai substrat.
Di sini, kami mengambil keuntungan dari degradasi air dari film pati [24, 25] dan memproduksi TCE daur ulang, jaringan Ag pati (SANs), melalui penyisipan jaringan Ag pecah yang telah dilaporkan sebelumnya kami dalam film pati. Melalui plating listrik, kami menurunkan resistensi lapisan (Rs) ke kurang dari 1,0 Ω sq−1 bersama dengan transparansi optik yang tinggi (> 82%) dan angka merit (F) lebih dari 10.000. Selain itu, karena proses pembuatan pelar dan jaring mandiri [26], SAN menunjukkan fleksibilitas yang baik, kekasaran permukaan rendah, dan daur ulang. Selain itu, SAN digunakan untuk mendemonstrasikan aplikasinya dalam biosensor pada sendi manusia dengan sensitivitas dan stabilitas mekanis yang baik.
Metode
Proses Pembuatan
Gambar 1a secara skematis menyajikan proses pembuatan SANs. Langkah 1 adalah menyiapkan template jaringan dengan metode yang ditemukan oleh kelompok kami [27]. Pertama, putih telur pecah mandiri selama proses pengeringan sehingga membentuk jaringan saluran. Setelah penyetapan lapisan benih Ag dengan sputtering (langkah 2), lapisan pengorban dicuci hilang. Selanjutnya, lapisan padat Ag ditetapkan lebih lanjut pada permukaan jaringan logam benih melalui plating listrik (langkah 3). Dalam langkah 4, jaringan Ag ditutupi dengan film pati dengan mencelupkan larutan pati yang disiapkan dan mengeringkan secara alami. Akhirnya, jaringan Ag yang tersemat dalam pati dicabut dari kuarsa. Karena suhu gelatinisasi pati normal secara intrinsik tinggi (biasanya lebih dari 90 °C) [28], di sini properti mekanikal pati ditingkatkan oleh gelatinisasi suhu kamarnya.
Pembuatan dan karakterisasi sampel SAN. a Proses pembuatan. b Demonstrasi fleksibilitas sampel SAN. c Citra SEM. Inset menunjukkan jaringan logam diperbesar. d Citra SEM condong (60°) dari jaringan Ag yang tersemat. Inset adalah tampilan penampang jaringan Ag. e Spektra XRD. f, g Citra AFM morfologi permukaan
Persiapan Template Pengorban
Bahan pecah mandiri adalah campuran putih telur dan air deionis (3:1 menurut volume). Template pecah diperoleh dengan mencelupkan larutan di atas pada kaca (50 mm × 50 mm), kemudian mengeringkan di udara selama sekitar 10 menit, dan akhirnya proses pecah mandiri terjadi.
Penyetapan Lapisan Benih Ag
Sputtering (AJA International ATC Orion 8, USA) digunakan untuk menetapkan lapisan benih Ag (≈ 60 nm) pada template pecah mandiri. Kemudian, lapisan pengorban dihapus dengan mencuci dalam air deionis.
Plating Listrik Jaringan Ag Berdasarkan Lapisan CNN
Cair plating Ag seratus mililiter yang terdiri dari 4 g AgNO3, 22,5 g Na2S2O3·5H2O, dan 4 g KHSO3 dalam air deionis digunakan untuk penyetapan plating listrik. Bak plating buatan rumah digunakan dalam proses, dengan lapisan benih sebagai katoda dan batang Ag (40 mm × 40 mm) sebagai anoda. Arus untuk penyetapan plating listrik adalah 10 mA. Kami mengubah ketebalan film dengan mengontrol waktu plating. Akhirnya, jaringan Ag dicuci dalam air deionis.
Pembuatan TCE Pati
Larutan pati, yang terdiri dari 12,5 g tepung jagung, 1,25 g gliserin (10 wt%) dalam 100 ml air deionis, disiapkan pada 60 °C pada pemanas, dengan pengadukan 500 rpm selama 30 min. Gelembung dihilangkan dari larutan pati dalam lingkungan vakum selama 2 h. Empat mililiter larutan pati dicelupkan pada TCE plating listrik dan kemudian dikeringkan di udara selama sekitar 20 h di bawah 30–40% RH dan 25 °C.
Transfer Jaringan Ag
Film jaringan Ag-pati direndam dalam air DI pada 25 °C selama 2 h. Kemudian, lapisan pati larut, dan akhirnya, jaringan Ag bebas didapatkan.
Karakterisasi
Morfologi sampel dilakukan oleh SEM (ZEISS Gemini 500, Garl Zeiss, Germany), kamera fotografik, dan mikroskop gaya atom (AFM) (Cypher, Asylum Research). Kristalin dan informasi fase partikel logam ditentukan oleh sistem difraksi sinar-X (PAN analytical X’Pert-Pro MPD PW 3040/60 XRD dengan radiasi Cu-Kα1, Belanda). Transmisi optik diukur menggunakan sistem bola integrasi (Ocean Optics, USA). Resistensi lapisan sampel diukur dengan metode van der Pauw, dengan empat kontak pasta perak yang ditetapkan di sudut sampel persegi (20 mm × 20 mm), direkam dengan Keithley 2400 SourceMeter (Keithley, USA). Metode resistensi dua probe dilakukan dalam tes lentur (File tambahan 1).
Hasil dan Pembahasan
Morfologi Sampel
Gambar 1b adalah gambar skematis sampel SAN yang diperoleh, yang menunjukkan fleksibilitas dan transparansi yang baik. Citra SEM jaringan logam ditunjukkan dalam Gambar 1c, dengan lebar dan tinggi rata-rata jaringan Ag masing-masing 2,5 μm dan 1 μm, serta jarak antar benang dalam rentang 30 hingga 60 μm. Inset dalam Gambar 1c dengan jelas menampilkan morfologi terperinci jaringan logam. Morfologi permukaan film SAN ditunjukkan dalam Gambar 1d, dengan inset citra penampang, yang membuktikan bahwa jaringan Ag telah berhasil tersemat dalam film pati dan menunjukkan morfologi yang halus. Selain itu, tinggi jaringan Ag dapat dengan mudah dimodulasi dengan mengubah konsentrasi cair plating listrik, luas anoda, dan jarak antara anoda dan katoda dalam proses penyetapan plating listrik [29], sementara lebar jaringan dan jarak antar ruang dapat dikontrol dengan mengubah bahan pengorban, konsentrasi, dan suhu pecah, seperti yang dilaporkan dalam karya kami sebelumnya [30]. Kristalin SAN dikarakterisasi oleh difraksi sinar-X (XRD) (Gambar 1e), yang menunjukkan bidang (200), (220), dan (311) Ag, dan tidak ada kotoran terdeteksi. Citra mikroskop gaya atom (AFM) dalam Gambar 1f, g mengonfirmasi permukaan yang sangat halus dengan kekasaran root-mean-square (RMS) yang sangat rendah sekitar 0,521 nm.
Performa Optik dan Mekanikal
Gambar 2a menunjukkan plot transmisi (T) versus resistensi lapisan (Rs), membandingkan properti optoelektronik SAN dengan TCE lain yang dilaporkan [5, 6, 31,32,33,34,35,36] dan film ITO komersial (tebal 150 nm, Liaoning Huite Photoelectric Technology). Angka merit (F), ditunjukkan sebagai garis, ditentukan dengan mencocokkan persamaan dalam [37]. SAN kami menunjukkan properti optoelektronik yang sangat baik dengan transparansi tinggi (82–93%) dan resistensi lapisan rendah (0,2–1,0 Ωsq−1, dengan F berkisar dari 3000 hingga 10.000) berdasarkan template pecah yang berbeda [38]. Data ini jauh lebih baik dari ITO konvensional dan TCE jaring lainnya, yang dapat dikaitkan dengan kristalin Ag yang unggul, morfologi kontinu, dan struktur jaringan yang sesuai. Gambar 2b menunjukkan transmisi optik SAN dan ITO/PET (tebal 150 nm, Liaoning Huite Photoelectric Technology Co., Ltd.). Jelas bahwa transmisi optik SAN (~ 93%) jauh lebih tinggi dari ITO/PET (77~88%) di seluruh spektrum terlihat.
Properti optoelektronik jaringan logam. a Transmisi optik jaringan logam sebagai fungsi resistensi lapisan. b Transmisi versus panjang gelombang SAN dan sampel ITO/PET
Daur Ulang
Pati tidak hanya merupakan bahan hijau dan non-toksik untuk manusia atau lingkungan, tetapi juga bahan terdegradasi biologis, serta mudah dihapus dengan air [39]. Properti ini, oleh karena itu, memberi SAN bahan yang dapat didaur ulang seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 3. Sepotong film SAN yang telah digunakan direndam ke dalam air (Gambar 3a), dan 2 jam kemudian, sebagian besar substrat pati terdegradasi, dan air berubah menjadi kondisi kabur. Jaringan Ag bebas yang diperoleh dicuci dengan air untuk menghapus sisa pati dan kemudian dipindahkan ke sepotong kaca ITO dan dikeringkan dalam kotak pengeringan (Gambar 3b). Gambar 3c menunjukkan citra SEM jaringan Ag yang didaur ulang. Layak disebutkan bahwa proses daur ulang mempertahankan integritas jaringan Ag karena properti mandirinya, sehingga memberdayakan daur ulang proses dan akhirnya mengurangi biaya keseluruhan dan dampak lingkungan, dibandingkan dengan TCE berdasarkan substrat plastik non-terdegradasi dan non-daur ulang [5, 9, 40,41,42].
Tes daur ulang SAN dalam air: a asli dan b setelah transfer. c Citra SEM jaringan Ag yang didaur ulang
Performa Sensing SAN
Fleksibilitas SAN dikarakterisasi dengan pengujian lentur dibandingkan dengan sampel ITO/PET. Rs ITO/PET meningkat secara signifikan (~ 35.000 Ω sq−1) dalam seribu siklus lentur (Gambar 4a), sedangkan Rs SAN fluktuasi sekitar 30 Ω sq−1, menunjukkan stabilitas mekanis yang luar biasa (Gambar 4a, b). Secara bersamaan, fluktuasi periodik Rs diamati ketika SAN dibentur (dari 24 hingga 38 Ω sq−1) seperti yang ditunjukkan dalam inset Gambar 4b, yang menunjukkan potensi aplikasinya pada sensor mekanis [43,44,45,46,47]. Akibatnya, serangkaian sensor sendi sederhana dirancang dan diproduksi [48,49,50,51]. SAN dengan dua garis pasta perak sempit di sepanjang tepi untuk memberikan kontak yang lebih baik disisipkan di antara dua lembar film PET, yang dilekatkan pada sendi lelut, lutut, siku, jari, masing-masing. Respons bergantung pada gerakan dari sensor ini direkam dengan pengaturan pengukuran resistensi dua probe. Ketika sendi berada pada tahap lentur, Rs sensor berubah secara searas seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4c–f. Ketika SAN berada pada tekanan regangan di berbagai bagian tubuh, sinyal output bervariasi dalam rentang yang luas: di lelut, Rs sekitar 20–30 Ω sq−1 (Gambar 4c), di lutut 400–800 KΩ sq−1(Gambar 4d), di siku 2–3 MΩ sq−1 (Gambar 4e), dan di jari 4–8 MΩ sq−1 (Gambar 4f). Perbedaan ini mungkin terkait dengan magnitudo gerakan dan menunjukkan bahwa performa sensor sendi SAN bergantung pada lokasi [52].
Demonstrasi fleksibilitas sensor berbasis SAN. a Perbandingan resistensi lapisan sebagai fungsi waktu lentur. b Gambar diperbesar dari a; inset menunjukkan variasi terperinci resistensi lapisan sensor SAN dari 490 hingga 550 s. c–f Karakterisasi sensor yang lentur di berbagai bagian tubuh manusia: c lelut, d lutut, e siku, dan f jari. Insets: foto sensor yang dilekatkan di berbagai bagian tubuh manusia
Gambar 5 mendemonstrasikan mekanisme kerja sensor SAN, dengan garis biru menempatkan area yang sama. Ketika lentur terbatas pada 30o, pecahan halus diamati seperti yang ditunjukkan oleh persegi panjang merah dalam Gambar 5a. Meskipun sulit untuk mendapatkan citra yang difokuskan dengan baik, ketika sudut lentur meningkat menjadi 90o, jarak pecahan ini ditemukan semakin lebar serta mengelongasi (Gambar 5b). Namun, proses pengeringan kembali menginduksikan pemulihan pecahan yang hampir tidak terlihat (Gambar 5c). Sementara itu, resistensi SAN hampir sepenuhnya pulih ke kondisi awalnya, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4a–d. Oleh karena itu, variasi periodik resistensi selama lentur disebabkan oleh perubahan dinamis koneksi jaringan Ag.
Mekanisme kerja sensor SAN pada berbagai tahap: a lentur 30°, b lentur 90°, dan c peluruhan lentur. Skala bar dalam citra adalah 50 μm
Kesimpulan
Kesimpulannya, kami telah mengembangkan jaringan logam berkinerja tinggi dan dapat didaur ulang, dengan menggabungkan jaringan pecah dengan substrat pati. Angka merit yang sesuai dari jaringan logam yang dihasilkan melebihi 10.000 dengan resistensi lapisan (Rs) kurang dari 1,0 Ω sq−1 bersama dengan transparansi optik yang tinggi (> 82%). Yang paling penting, jaringan logam menunjukkan fleksibilitas yang baik, kekasaran permukaan rendah, dan daur ulang. Akhirnya, serangkaian biosensor telah ditunjukkan dengan performa yang baik.
