IGZO单根纤维和纤维网络在应变下的实验数据

对于可穿戴电子皮肤和织物而言，在满足轻量和机械柔性、可拉伸功能等功能外，还需要低制造成本，高可靠性，多功能性和长期稳定性。为了实现机械拉伸性，多种工程结构，包括弹性体中的渗流型电荷传输网络，导电的路径（波浪形，蛇形，网状）或结构（皱纹，膨胀），被用来适应外部的机械应变。从材料设计的角度来看，单晶硅纳米膜，金属纳米结构，含碳类纳米材料，以及导电聚合物是WEST领域中常用的候选材料。然而，在多刺激传感能力及其性能（灵敏度，响应时间等），以及长期稳定性和制造成本方面，仍有很大的发展空间。

金属氧化物（MO）半导体（例如IGZO，SnO2，ZnO）和导体（ITO，FTO）等已被大规模成熟的应用在显示器，触摸屏和传感器等领域。从而证明了其在多个方面比上述材料显示出更加优异和稳定的性能。但是，可以维持最大断裂水平约1％的块状金属氧化物本质上很难拉伸到WEST所需的应变程度。此外，合成和加工与其他纳米材料长径比（》1000）相当的MO纳米结构的具有挑战性。

近期，美国西北大学Tobin J Marks， Antonio Facchett课题组联合休斯顿大学余存江课题组和香港城市大学Xinge Yu于欣格课题组在Nature Communications发表研究论文。论文第一作者为美国西北大学的Binghao Wang博士，其他作者包括休斯顿大学的博士生Anish Thukral （并列一作），香港城市大学的Zhaoqian Xie博士， 以及西北大学的Limei Liu， Xinan Zhang 以及Wei Huang。

作者将吹纺技术用于制备多种半导体/导体三维无机纳米纤维网络，包括IGZO，CuO，ITO和Cu，并被用于薄膜晶体管和多功能传感器。基于IGZO纤维网络的晶体管显示出出色的机械柔韧性（弯曲半径低至1 mm）和对NO2气体的高传感、选择性。更令人印象深刻的是，转移至柔性基底（SEBS）上的纤维网络器件具有》50%的高拉伸性并能够灵敏的感应紫外线，温度，压力和人体呼气。最后，作者展示了能够进行多传感器识别的单片集成纳米纤维器件平台。

如图1所示，作者将金属盐和聚合物混合在乙醇中，通过吹纺技术快速大规模制备多种纤维网络。经过400-500摄氏度高温退火后，可以获得多种金属氧化物和金属纤维。

图1：金属和金属氧化物纳米纤维的合成和结构表征。

为了验证无机纤维网络的可拉伸性，作者使用有限元法对其的力学性能计算模拟。单根纤维在不同的应变方向显示出区别很大的应力-应变行为。纤维与应力方向角度越大，其受到的应变越低。实验证明基于IGZO纤维网络的在50%应变时，电阻仅增加6倍，并且以10%应变拉伸-回复5000次循环后性能几乎保持不变。

图2：IGZO单根纤维和纤维网络在应变下的实验数据和理论计算。

基于IGZO纤维的晶体管具有出色的机械柔韧性（弯曲半径低至1 mm）和对NO2气体的高传感选择性（灵敏度为33.6％ppm-1）。更令人印象深刻的是，转移至柔性聚［苯乙烯-b-（乙烯-共-丁烯）-b-苯乙烯］（SEBS）的IGZO纤维器件能够感应紫外线（比探测率= 5.2×10^10 Jones），温度（灵敏度= 2.2％C-1）和鼻子呼出的呼气。此外，作者展示了用作压力传感器的CuO纤维/SEBS器件。

图3：基于IGZO纤维网络的柔性晶体管和可拉伸多响应功能（紫外，气体，温度，呼气和压力）的传感性能。

在最后部分，作者利用可穿戴式的ITO纤维/SEBS用于手势识别。具有出色的操作稳定性和快速的响应/恢复时间。接下来，如图4所示，通过将五个应变传感器安装在手的手指关节上，监视应变传感器的ΔR/ R0与特定手势之间的直接相关性。例如，为了表示“ OK”的符号，拇指和食指完全折叠（ΔR/ R0》 2.0），而中指，无名指和小手指则拉直（ΔR/ R0《0.2）。其它手势，例如“GOOD”，“LOVE”，“GREAT”，“HI”和“VICTORY”都可以以特定的相应手势来识别的。为了识别多种外界刺激，作者以创可贴形式展示了单片集成IGZO+ITO+CuO纤维器件平台。
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