金属纳米颗粒功能化增强石墨烯柔性传感器的应变灵敏度研究

针对石墨烯柔性传感器在低应变检测中灵敏度不足的瓶颈问题，研究人员通过金属纳米颗粒功能化策略，开发出具有超高灵敏度（GF=136@5%应变）的复合传感器。该器件展现出0.05%检测限、38ms响应速度及4000次循环稳定性，并创新性实现多方向应变识别，为可穿戴健康监测提供了低成本解决方案。

　　

随着柔性电子技术的快速发展，能够实时监测人体生理信号的应变传感器成为研究热点。石墨烯因其优异的导电性和机械性能被视为理想材料，但其本征结构在低应变条件下灵敏度不足，难以捕捉脉搏等微弱信号。这一瓶颈严重限制了其在精准健康监测中的应用。传统解决方案如化学气相沉积（CVD）制备复杂结构虽能提升性能，但存在工艺复杂、成本高昂等问题。

针对这一挑战，国内某高校的研究团队在《Applied Surface Science》发表了一项创新研究。他们提出通过金属纳米颗粒功能化修饰石墨烯涂层的策略，成功开发出兼具高灵敏度和简易制备工艺的柔性传感器。该器件在5%应变下灵敏度提升100%，并实现0.01V超低工作电压和0.05%微小应变检测能力，为可穿戴医疗设备提供了新思路。

研究团队采用溶液涂覆结合电子束蒸发的技术路线：首先通过机械研磨制备少层石墨烯（1-10层）浆料，在氧等离子体处理的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上构建导电网络；随后沉积金属纳米颗粒形成电子传输通道，利用应变引起的纳米颗粒间距变化实现隧穿效应（tunneling effect）调控。创新性地设计十字形结构，结合数学模型实现二维平面内的多方向应变识别。

【Experimental section】
研究以PDMS为柔性基底，通过氧等离子体处理增强表面附着力。采用液相剥离法获得的商用石墨烯粉末经研磨后分散成导电浆料，结合电子束蒸发技术精准控制金属纳米颗粒沉积。

【Results and discussion】
金属纳米颗粒修饰的石墨烯（MNG）器件表现出显著优于纯石墨烯和金属薄膜石墨烯（MFG）的性能。在5%应变下GF值达136，归因于纳米颗粒间量子隧穿效应。交叉验证实验证实，十字形结构可通过不同方向电阻变化映射准确识别拉伸方向（误差<5°）。人体脉搏测试显示器件能清晰捕捉72bpm心率信号。

【Conclusion】
该研究通过金属纳米颗粒功能化策略突破石墨烯传感器的灵敏度限制，其简易的溶液工艺大幅降低生产成本。多方向检测功能拓展了柔性电子在运动监测中的应用场景，为发展下一代智能可穿戴设备奠定基础。Junyuan Wu等学者特别指出，该方法可推广至其他二维材料体系，具有重要的产业化前景。