一种基于纳米石墨烯隧穿效应的人造皮肤及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于纳米石墨烯隧穿效应的人造皮肤及其制备方法，基于纳米石墨烯隧穿效应的人造皮肤包括：柔性衬底、石墨烯层、金属电极，其中金属电极和石墨烯组成可感知应力的器件位于柔性衬底之上。本发明的人造皮肤具有石墨烯的优良特性，具有单原子层厚度、延展性好、抗压性强、电学性质优越等特点。

说明书

技术领域

本发明属于纳米科技领域，尤其涉及一种基于纳米石墨烯隧穿效应的人 造皮肤及其制备方法。

背景技术

在所有人类器官中，皮肤常常被我们忽视和胡乱对待，但是，皮肤非常 可靠，它是我们的身体器官和组织的“保护神”，通过传递各种感觉帮助我们 避免伤害，确保我们身处合适的温度和环境下。

最近几年，义肢越来越完善，但即使最好的义肢也没有人体皮肤所拥有 的最微妙的感受，也就是说，义肢没有触摸别人或被别人触摸带来的温馨感 觉。然而，新的电子皮肤出炉朝制造出拥有触觉的义肢迈近了一大步。德国 的菲利普·米藤多尔弗尔等人通过集成红外传感器和温度传感器制成可模拟 人类皮肤轻触觉的电路板。另外英国剑桥大学纳米科学中心的史蒂芬尼·拉库 在一个透明的弹性硅胶上制造出能无损地拉伸和变形的电路。这种弹性材料 能包裹四肢、手指，有望应用于皮肤移植甚至将皮肤用做触摸屏接口等领域。 但是制造“人造皮肤”需要其具有可拉伸、有触感、能传感等性质，这就呼 唤一种新材料的出现。

石墨烯是由sp²杂化的碳原子所组成的六角原胞单原子层晶体，是人类 所发现的第一种真正意义上的二维材料，其厚度只有埃到纳米量级，而其尺 寸一般在微米量级，纵横比极大，是碳管的两倍，因而是一种具有“宏观尺 寸”的纳米材料。由于石墨烯和衬底表面之间的范德瓦尔斯力的作用，宏观 上表现为一个二维平面。因此对于石墨烯的应用便有了诸多选择，包括剪裁 为石墨烯纳米条带，或者是二维平面电子器件。

石墨烯是已知的最薄最坚固且延展性最好的材料，其杨氏模量可超过 1TPa，石墨烯具有很高的电学质量，在室温下其载流子迁移率高达 200,000cm²V^-1s^-1，弹道输运长度可达到亚微米量级，这些特性都预示着其 在纳米传感器方面的广泛应用前景。

现有技术中已经有一些利用石墨烯制备单个应力传感器方法的报道，主 要包括：一、将剥离石墨烯悬浮与衬底之上，利用其良好的机械强度制成可 重复使用的应力传感器。二、利用化学气相沉积(CVD)方法制备大面积石墨 烯薄膜，当施加较大应力时其电阻随应变有规律性变化。三、对于石墨烯复 合材料，根据施加压应力和张应力不同，复合材料叠加区域面积增加或减少 而导致电阻的相应变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于纳米石墨烯隧穿效应的人造皮肤，该人 造皮肤灵敏度高，受外界环境影响较小，稳定性好，可重复性高。

本发明提供的一种基于纳米石墨烯隧穿效应的人造皮肤包括：

柔性衬底、石墨烯层、金属电极，其中金属电极和石墨烯组成可感知应 力的器件位于柔性衬底之上。

本发明的一种基于纳米石墨烯隧穿效应的人造皮肤的制造方法包括如下 步骤：

1）在氧化硅衬底上制备纳米石墨烯；

2）在纳米石墨烯表面悬涂聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）并在热板上烘 干；

3）将已悬涂PMMA的表面有石墨烯的氧化硅衬底置于氢氟酸溶液中浸 泡，待其自然漂浮于液面之上时捞起，在去离子水中将其表面褶皱铺平并冲 洗干净后用气枪吹去表面水分，置于热板上烘烤保证薄膜与柔性衬底之间水 分完全去除；

4）将表面有石墨烯薄膜的柔性衬底置于丙酮中去除其表面的PMMA；

5）在石墨烯表面沉积金属作为电极；

6）将做好电极的样品进行二次图形曝光，显影后通过反应离子刻蚀将多 余的石墨烯去掉，之后用丙酮将多余的胶去掉。

本发明的优点：

1）利用本发明的方法制备的人造皮肤具有石墨烯的优良特性，具有单原 子层厚度、延展性好、抗压性强、电学性质优越等特点；

2）本发明的方法加工的器件具有优越的器件性能。当下压深度为0.1mm 时电阻可变化几倍，由于器件的灵敏度仅取决于隧穿距离与隧穿势垒，是其 本征属性，受外界环境影响较小，稳定性好，可重复性高；

3）本发明的方法得到的人造皮肤其响应时间及弛豫时间取决于衬底的响 应，因此对于响应时间短的衬底可做到实时获取外界触碰信息；

4）本发明的方法与现有的半导体加工工艺是兼容的，基于纳米石墨烯隧 穿效应的人造皮肤满足大规模集成的需求，可批量生产。

5）基于纳米石墨烯的人造皮肤制作周期短，使用的材料价格低廉，大大 降低了制作过程的能耗和成本。

以上这些特点使得这种新的基于纳米石墨烯隧穿效应的人造皮肤具有很 好的应用潜力和广泛的应用价值。

附图说明

图1是本发明的制备方法的实施步骤示意图；

图2是使用本发明得到的纳米石墨烯人造皮肤单个器件在有接触时电阻 随下压深度的增加而增大。（a）图是在不同的下压深度时，器件的电流/电 压特性曲线图；（b）图是由图（a）得到的器件电阻随下压深度增加的变化 图。

图3是使用本发明得到的石墨烯人造皮肤3×4矩阵器件施加点接触（a） 和线接触（b）时电阻变化图。

具体实施方式

本发明的人造皮肤基于石墨烯是已知的最薄最坚固且延展性最好的材 料、可拉伸、电学性质好等特点，利用纳米石墨烯岛之间的隧穿效应得到具 有高灵敏度可多点触控的集成应力传感器。石墨烯薄膜是由尺度介于几纳米 到几百纳米不同的石墨烯岛组成的。将已经生长好的石墨烯转移到透明柔性 衬底（二甲基硅氧烷PDMS/聚对苯二甲酸PET)上，利用传统的微加工手段 制成集成的小尺度纳米石墨烯传感器。由于隧穿效应，电阻对隧穿距离有指 数响应，对应与施加不同的应力时，得到的电阻有显著的规律性变化。

下面通过具体实施例来进一步说明。

利用等离子体加强的化学气相沉积（PECVD）方法得到的纳米石墨烯人 造皮肤及特性测试。

1、通过PECVD方法将石墨烯直接沉积到氧化硅衬底表面，具体生长条 件为：温度525°C，甲烷气体流量30SCCM,压强0.2Torr,等离子体功率 100W，生长时间2.5小时。

2、将已生长石墨烯的氧化硅片表面悬涂5%的950PMMA，悬涂速度为 3000r/min共1min，在180°C热板上烘烤3min。

3、将已悬涂PMMA的表面有石墨烯的氧化硅衬底置于10%的氢氟酸溶 液中浸泡几小时，待其自然漂浮于液面之上时用PDMS/PET捞起，在去离 子水中将其表面褶皱铺平并冲洗干净后用气枪吹去表面水分，置于110°C热 板上烘烤半小时，保证薄膜与柔性衬底之间水分去除。

4、转移好的表面有石墨烯薄膜的柔性衬底置于丙酮中去除其表面的 PMMA。

5、在样品上悬涂一层S1813胶，速度为4500转/分钟，在115°C热板上 烘烤1分钟，利用紫外光刻技术曝光设计好的电极结构，显影后利用电子束 蒸发系统蒸Ti/Au~2nm/30nm，然后用丙酮除去除多余的S1813胶（lift-off）， 得到电极。

6、将做好电极的样品悬涂S1813胶后进行二次图形曝光，显影后通过 反应离子刻蚀将多余的石墨烯去掉，之后用丙酮将多余的胶去掉，这样就得 到了完整的器件。

7、已完成的器件与外部测量设备相连，当器件被某物体接触时会产生形 变进而引起电阻的变化。我们分别测量了单个器件和多个集成器件随下压深 度增加时电学性质变化。

本发明制备出来的人造皮肤结构如图1所示，制备出来的人造皮肤包括 柔性衬底以及位于柔性衬底之上的由石墨烯和金属电极构成的应力传感器 件。

图2是使用本发明得到的纳米石墨烯人造皮肤单个器件在有接触时电阻 随下压深度的增加而增大。（a）图是在不同的下压深度时，器件的电流/电 压特性曲线图；（b）图是由图（a）得到的器件电阻随下压深度增加的变化 图。

图3是使用本发明得到的石墨烯人造皮肤3×4矩阵器件施加点接触（a） 和线接触（b）时电阻变化图。对3×4个矩阵器件施加点压力和线压力时， 只在施加压力的位置器件电阻增加，其它位置器件电阻无明显改变。