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材料學(xué)院呂瑞濤研究組在超靈敏聲壓傳感器方面取得進(jìn)展

2016.11.17

    供稿

    材料學(xué)院

     

    創(chuàng)意

    映像設(shè)計組

     

    改編

    張錚

     

    圖片

    任帥

     

     

    編審

    趙鑫,、尹霞,、張歌明,、張錚


    設(shè)計

    王寅,、張穎,、郭潔

     

壓力傳感器在工業(yè),、軍事,、醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用,。在眾多不同種類的壓力傳感器中,,法布里-珀羅(F-P)微型光纖傳感器以其結(jié)構(gòu)簡單,、靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)分布式測量及遠(yuǎn)程探測等優(yōu)勢,,在聲壓探測方面具有廣闊的應(yīng)用前景,。更重要的是,由于F-P微型光纖傳感器利用光信號進(jìn)行壓力探測,,敏感單元無需電子電路,,因而不受電磁信號干擾的影響,,適合于在復(fù)雜電磁環(huán)境和惡劣工作條件下使用,極大克服了電學(xué)傳感器的不足,,受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注,。

為構(gòu)建F-P微型光纖傳感器,通常需要將一片較薄的敏感薄膜材料貼附于具有微小內(nèi)腔(直徑約125微米)的陶瓷插芯一端,,另一端連接光纖,。該薄膜材料接收到壓力信號時將會發(fā)生形變,改變F-P腔的長度,,從而導(dǎo)致輸出的光學(xué)干涉信號發(fā)生變化,,通過解析輸出的光纖干涉信號,可解算施加的壓力值,。因此,,為了提高F-P傳感器的靈敏度,需要采用厚度較薄且具有較高的強(qiáng)度,、韌性和彈性的薄膜材料,,其應(yīng)能承受較大的變形并且有較低的疲勞或者遲豫。然而,,由于加工精度的限制,,基于傳統(tǒng)機(jī)械減薄工藝得到的薄膜(如二氧化硅薄膜,金屬薄膜,、高分子薄膜等)難以滿足上述要求,,這也為高靈敏度F-P傳感器的開發(fā)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

近年來,,以二硫化鉬(MoS2)為代表的一系列二維層狀納米結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)為發(fā)展高性能F-P傳感器提供了新的可能。在國家自然科學(xué)基金資助下,,清華大學(xué)材料學(xué)院呂瑞濤研究組在基于二維薄膜的超靈敏聲壓傳感器研究方面取得了重要進(jìn)展,。他們首先使用電子束蒸鍍的方法,在二氧化硅/硅基底上蒸鍍了一定厚度的鉬薄膜,,隨后在常壓進(jìn)行硫化,,得到了少層MoS2薄膜。最后將制得的薄膜轉(zhuǎn)移到陶瓷插芯上,,組裝得到了基于不同層數(shù)MoS2的F-P傳感器,,并與北京航空航天大學(xué)李成課題組和美國賓夕法尼亞州立大學(xué)Mauricio Terrones課題組合作開展了傳感器性能研究。研究表明,,基于少層MoS2組裝得到的F-P傳感器具有明顯的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)以及非常高的探測靈敏度(89.3 nm/Pa),,與目前已報道的傳統(tǒng)材料(二氧化硅、銀薄膜等)相比提高了近三個數(shù)量級,。該器件優(yōu)異的壓力探測性能可歸因于少層MoS2機(jī)械強(qiáng)度較高,、超薄,、柔性和力學(xué)穩(wěn)定性較好的特點(diǎn)。這項(xiàng)研究對于開發(fā)超靈敏聲壓探測器提供了重要的啟示,,同時也拓展了二維材料在環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用,。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2016年10月的《先進(jìn)材料》(Adv. Mater., 2016: DOI: 10.1002/adma.201603266)上。

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