Определены оптимальные состав и форма напечатанного графенового датчика влажности

18 ноября 2019
55

Сегодня анализаторы влажности широко используются в электроприборах для медицинской диагностики, охраны окружающей среды, промышленности и сельского хозяйства. Одним из перспективных путей создания дешевых и чувствительных сенсоров влажности может стать печатная электроника. При печати структур важны не только состав и толщина будущего детектора, но и характеристики несущей его основы. Ученые из Новосибирска сравнили эффективность датчиков влажности на основе графена, напечатанных на твердой и гибкой подложках. С результатами исследования можно ознакомиться в журнале Materials. Исследования поддержаны грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда.

Датчики влажности различаются по характеристикам чувствительности, условиям эксплуатации, разнообразию возможных конструкций и перспективам применения. Одной из наиболее простых и дешевых схем считается резистивная. В ней между двумя электродами — источником и приемником тока — проложен материал, который легко впитывает влагу из воздуха и изменяет при этом свое электрическое сопротивление. В последние несколько десятилетий растет популярность устройств на основе графена. Этот материал обладает рядом уникальных свойств, например, высокой способностью проводить электрический ток, большой прочностью и гибкостью. В анализаторе может быть использован один или несколько слоев графена. Многослойные пленки более устойчивы к воздействию среды, и через них могут идти большие электрические токи, это позволит создавать менее прихотливые и более надежные устройства. 

Один из подходов к усилению чувствительности графеновых датчиков — использование органических электропроводящих полимеров, при этом создаются новые композитные материалы со свойствами, которых не было у исходных веществ. Например, PEDOT: PSS поли(3,4-этилендиокситиофен) в смеси с полистиролсульфонатом обладает крайне высокой чувствительностью к изменению влажности, но при содержании воды в воздухе более 80% его работоспособность снижается. Скорее всего, так происходит из-за того, что полимер насыщается водой, его сопротивление снижается и датчик надолго выходит из строя. Чтобы обойти подобное ограничение, PEDOT: PSS используют в сочетании с поливиниловым спиртом, наночастицами оксидов железа, цинка и олова. Эти добавки позволяют использовать датчики при уровне влажности вплоть до 100%. Важнейшими задачами на пути совершенствования датчиков влажности можно назвать определение оптимального состава пленки, обеспечивающего максимальную чувствительность, и исследование того, как зависят свойства сенсоров от их формы и материала подложки.

Для ответа на эти вопросы новосибирские физики сравнили чувствительность датчиков с различными пропорциями графена и PEDOT: PSS и выяснили, что наибольший отклик на влагу дают напечатанные пленки с соотношением этих материалов в диапазоне 1:1–1:2. Другой важной частью работы было сравнение эффективности датчиков, напечатанных на гибких подложках из бумаги, полиимидной пленки, полиэтилентерефталата (ПЭТ) и на жесткой кремниевой подложке. Оказалось, что самым чувствительным получился датчик, напечатанный на подложке из бумаги с дополнительным гидрофильным клеевым слоем на поверхности. По-видимому, это связано с тем, что напечатанные образцы оказались наиболее пористыми. Сама по себе бумага служит отличной подложкой, но возможно, что в будущем потребуется увеличить ее механическую прочность. 

Форма датчика также влияет на его чувствительность и способность работать в изогнутом состоянии. Ведь сенсоры в носимой электронике, к примеру наручных часах, будут находиться в постоянном напряжении из-за сгиба, и их показания могут быть неверны. Ученые выяснили, что идеальный датчик, который не боится механических воздействий, должен иметь форму змейки. Это объясняется тем, что он изначально имеет большую площадь контакта с поверхностью и в нем уже есть свои механические напряжения. В итоге при сгибании или растягивании ситуация для него не сильно изменяется, и он почти не меняет свои свойства. Он словно заранее прошел череду испытаний на прочность. А вот сенсору в форме простой полоски нужно время, чтобы привыкнуть и адаптироваться к внешнему давлению. Поэтому результаты тестов на сгиб хуже у прямых сенсоров.

«Наше исследование играет важную роль в разработке и создании материалов и структур на основе графена для будущей печатной гибкой электроники, а также в конструировании нанопленок и слоев на основе наноструктурированного графена», — подводит итог Надежда Небогатикова, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова Сибирского отделения РАН, старший преподаватель Новосибирского государственного университета. В исследовании также принимали участие сотрудники Северо-Восточного федерального университета имени М. К. Аммосова, Института физики полупроводников имени А. В. Ржанова Сибирского отделения РАН, Новосибирского государственного университета и Новосибирского государственного технического университета.