激光诱导石墨烯纳米尖端原位垂直接触工程用于超灵敏湿度传感及呼吸监测

这篇研究开创性地提出了一种基于激光诱导石墨烯（LIG）纳米尖端垂直接触架构的超灵敏湿度传感器。通过单脉冲激光原位构建垂直排列的LIG纳米尖端，实现了接触模式（40%响应度）和远程模式（14 000%响应度）双模态传感，解决了传统横向接触LIG传感器因部分暴露结构导致的灵敏度限制。该传感器在呼吸监测中展现出<1秒的快速响应/恢复时间，并成功集成至口罩实现156 bpm高频呼吸信号的实时捕捉，为可穿戴医疗监测提供了革新性解决方案。

　　

2.1 原位垂直接触工程实现全暴露LIG纳米尖端
传统LIG湿度传感器采用横向接触构型时，仅表层区域参与湿度感应，而嵌入聚酰亚胺（PI）基底的致密下层结构主导电流通路，导致响应度受限。研究团队创新性地设计平行电极结构，通过单脉冲CO₂激光（89.9 J cm^-2）在230 μm空气间隙中诱导生长高度约250 μm的LIG纳米尖端，同步形成与上下石墨烯电极的原位垂直接触。扫描电镜（SEM）显示该结构实现了三维多孔网络的完全暴露，为水分子相互作用提供了高效界面。

2.2 空气间隙高度对电学特性的调控作用
通过精确调控电极间距，传感器呈现两种工作模式：当间隙小于纳米尖端高度时，直接接触形成窄导电通路（接触模式）；间隙超过尖端高度则触发场致电离（远程模式）。电流-电压测试表明，100 μm间隙下电流达最大值（1 V偏压），而300 μm时电流骤降至5 pA，验证了构型转换的临界阈值。

2.3 接触模式下的湿度传感性能
接触模式传感器在20%-90%相对湿度（RH）范围内呈现线性电流下降（R²=0.976），平均响应度达29.5±9.6%。对比实验显示，其性能远超传统叉指电极（IDE）和蛇形图案传感器——响应度分别提升266倍和114倍。这种增强归因于高斯能量分布形成的锥形多孔尖端结构，其超薄导电通路（数十至数百纳米）显著提升了水分子吸附引起的电荷载流子调制效率。

2.5 远程模式的指数级响应机制
远程模式在RH>60%时呈现指数级电流增长（R²=0.998）。有限元模拟揭示，纳米尖端曲率半径引发的局域电场强度超3×10⁶ V/m，足以电离水分子（H₂O→H₂O⁺ + e^-）。根据汤森放电模型，电离电子碰撞引发雪崩效应，电流遵循I=I₀e^α[H2O]·d规律，其中α为电离系数。该模式对NO₂和NH₃的交叉选择性分别提升31倍和2580倍。

2.7 呼吸状态监测应用验证
集成至口罩的传感器成功捕捉到15.9 bpm静息呼吸至156.4 bpm高强度运动的动态信号。快速傅里叶变换（FFT）分析显示，远程模式在0.3秒内即可响应剧烈呼吸变化，且能清晰区分深呼吸、过度换气等病理模式。环境稳定性测试证实，LIG纳米尖端在20-50°C和20%-100% RH条件下结构稳定，连续工作7天未出现性能衰减。

这项研究通过"LIG后处理"工艺简化了制造流程，仅需两次激光脉冲即可完成器件制备。虽然纳米尖端生长高度控制仍存挑战，但该技术为开发新一代可穿戴医疗设备、环境监测系统提供了兼具超高灵敏度（14000%响应度）与操作稳定性的解决方案。