深圳先進院碳納米管基三維結構材料研究獲系列進展

發布時間：2015-04-13 10:45 原文鏈接：深圳先進院碳納米管基三維結構材料研究獲系列進展

　　隨著電子元器件及消費類電子產品向著小型化、智能化和可穿戴方向發展，要求基于高密度電子封裝的微納器件須具備柔性及可延展化等特點，以促進人與信息的高效交換，這對構成器件的導電基元材料提出了更加嚴苛的挑戰。除了滿足基本的電氣互聯外，導電基元材料還需具備優異的力學強度、壓阻特性以及循環穩定性等特點。因此，將納米尺度的導電基元進行合理、有效的宏量組裝，是未來制備高性能柔性電子器件的發展趨勢，具有重要的科學意義和應用前景。

　　近年來，基于一維碳納米管（CNT）材料和零維金屬納米顆粒雜化的三維結構材料制備的柔性或彈性電子器件因兼備優良的電性能、機械柔韌性和壓阻特性等特點而受到廣泛關注。如何有效地提高三維雜化材料的結構穩定性和應變靈敏性，發展可實際應用的應變式傳感器（Strain-gauge Sensors）吸引了眾多科研工作者的關注。

　　針對此問題，中國科學院深圳先進技術研究院先進材料研究中心研究員孫蓉、副研究員張國平和博士研究生趙松方等組成的科研團隊針對三維雜化材料的結構設計和組裝方面開展了系列研究工作，以期獲得卓越性能三維碳納米管基結構材料。研究人員首先采用超支化聚縮水甘油醚(HPG)作為橋梁，通過酯化反應將酸化的氮摻雜碳納米管（N-CNTs）以酯鍵形式進行連接，同時以HPG為模板吸附Ag+，原位還原得到共價鍵連接的N-CNTs/Ag雜化材料，借助冰模板法和冷凍干燥技術制備出共價鍵鏈接的三維N-CNTs/Ag柔性海綿，且內部孔徑大小可調。共價鍵設計賦予該三維材料優異的力學性能以及多次循環形變下的穩定性，均勻分散的銀納米顆粒可顯著提高電荷在形變條件下的傳輸通道和器件靈敏度（Carbon,2015, 86, 225-234）。在以上工作基礎上，通過多級微觀結構和金字塔狀模具設計，制備基于N-CNTs/Ag導電基元的金字塔狀三維結構材料；同時根據逾滲理論，通過調節雜化導電基元與粘合劑的比例，實現該三維結構材料在應變作用下電阻突變。當其在3%形變條件下，應變式傳感器的GF值高達15（ACS Appl. Mater. Interfaces 2014, 6, 22823-22829）。近來，基于氮摻雜碳納米管和金屬納米粒子的協同效應并通過層層自組裝（LbL）技術在聚氨酯（PU）海綿骨架上成功制備了三維多孔氮摻雜碳納米管基雜化材料(CHAs)。研究結果表明制備的CHAs在多次循環形變過程中具有優異的電阻穩定性和高的導電性，同時可實時監測人體運動模式差別，如彎曲速度、彎曲程度、狀態保持時間等。該制備方法具有普適性，可以發展不同維度雜化的三維多孔材料以滿足器件制備對不同功能材料的需求。（ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7 (12), 6716–6723）。

　　以上研究和前期該團隊在三維雜化結構材料組裝及應用研究中取得的一系列成果均由深圳先進院獨立完成。該研究先后得到國家自然科學基金（Grant No. 21201175）、廣東省引進創新科研團隊（No.2011D052）、深圳市孔雀計劃團隊(KYPT20121228160843692)等項目的資助。

基于CNT/金屬納米顆粒雜化的三維結構材料的制備和應變式傳感器性能研究