柔性传感器以其可折叠、可卷曲、可拉伸的特殊物理属性和轻质、便携、低能耗等特点备受人们关注。二维(2D)过渡金属硫族化合物(Transition metal dichalcogenides, TMDs)材料理论上具有最小的弯曲刚度,可以满足柔性器件对电子功能材料的性能调控,因此被认为是柔性电子领域极具应用潜力的候选材料之一。然而,大面积、图案化和高质量的2D TMDs材料往往需要较高的生长温度,不利于其在柔性聚合物衬底上直接制备,这也制约了2D TMDs 材料在柔性电子领域的应用。
近日,西北工业大学黄维院士团队王学文教授课题组提出在柔性衬底上低温合成大面积、图案化和高质量2D TMDs材料的方法,并且在柔性衬底表面直接原位集成了多种传感器,包括温度传感器、生物电传感器等。相关研究成果以“Large-scale Ultra-robust MoS2 Patterns Directly Synthesized on Polymer Substrate for Flexible Sensing Electronics”为题发表在国际顶级期刊Advanced Materials上,柔性电子前沿科学中心李伟伟副教授、许曼章副教授和博士生高久伟为本文的共同第一作者,黄维院士和王学文教授为共同通讯作者。 该方法首先制备了超薄聚酰亚胺柔性衬底及可用于喷墨打印的水性前驱体墨水,通过调控墨水组分、溶剂比例,对MoS2前驱体墨水的表面张力、粘度和密度进行优化与调控,制备的前驱体墨水能够实现稳定喷射,并且通过调控前驱体的浓度,可以得到不同厚度的前驱体薄膜,基于此在聚酰亚胺衬底表面喷墨打印了敏感单元。之后引入氩气保护,在氢气辅助下实现了前驱体在较低温度(350 °C)的热分解与原位结晶,获得了图案化的MoS2结晶薄膜(图1),通过高分辨透射电镜,进一步确认所得MoS2由单晶组成的多晶相,其晶粒尺寸在10-20 nm之间,优于类似温度合成的MoS2膜。此外,得益于超薄的MoS2及和聚酰亚胺衬底之间的强粘附力,该MoS2图案具有极佳的力学稳定性(曲率半径4 mm时,电阻变化率