新型镍氧化物/石墨烯复合传感器：一种用于柔性温度检测的低温技术

《Advanced Materials Technologies》：Novel Nickel Oxide/Graphene Composite Sensor: A Low-Temperature Approach to Flexible Temperature Sensing

NiO基柔性温度传感器开发及其性能优化。采用刮刀印刷技术制备PS/石墨烯复合薄膜，实现高灵敏度（B值2354 K）、快速响应（30秒）和长期稳定性（50天CV 1.19%），兼具湿度耐受（RH 10%-65%）与机械柔韧性（2.1 cm弯曲半径80次循环）。

　　在现代社会中，温度监测技术已经广泛应用于多个关键领域，包括食品安全、医疗健康以及环境管理等。这些领域对温度的精确控制和持续监测提出了越来越高的要求，因为温度变化直接影响到物质的保存状态、医疗操作的准确性以及环境系统的运行效率。然而，传统的温度传感器，尤其是基于集成电路（IC）的传感器，虽然在灵敏度和准确性方面表现出色，但其高昂的生产成本、复杂的制造工艺以及在潮湿环境下的性能下降，限制了其在某些应用场景中的推广和使用。因此，开发一种既具备高灵敏度和快速响应，又具备成本效益和环境适应性的新型温度传感器成为当前研究的重要方向。

本文提出了一种基于镍氧化物（NiO）的新型柔性温度传感器，该传感器通过使用医生刀（doctor blade）技术进行制造，并引入了聚苯乙烯（PS）和石墨烯（graphene）的纳米复合材料，以增强其灵活性、稳定性和导电性。研究结果显示，这种新型传感器能够在30秒内迅速响应温度变化，并表现出高灵敏度，其B值（β值）达到了2354 K。此外，传感器在50天的长期稳定性测试中表现出极低的漂移率和一致的性能，其变异系数（CV）仅为1.19%。这表明，该传感器在长时间运行中仍能保持高度的可靠性。

在湿度变化方面，该传感器也表现出良好的适应性，能够在相对湿度（RH）从10%到65%的范围内维持稳定性能。实验中，传感器在反复弯曲测试中表现出良好的机械性能，即使在2.1厘米的弯曲半径下，经过80次弯曲后，其电阻值仍保持稳定。这一特性使得该传感器在需要柔韧性和耐久性的应用场景中具有显著优势，例如可穿戴设备和需要适应复杂环境的传感器系统。

在材料选择方面，NiO因其宽禁带特性（约3.7 eV）而被选为温度敏感材料，这使得其在高温下具有较低的载流子生成能力，从而表现出负温度系数（NTC）特性。这意味着随着温度升高，其电阻会显著下降，从而实现对温度变化的高灵敏度检测。为了提高传感器的整体性能，研究者还引入了石墨烯作为导电添加剂，以优化电子传输路径，同时加入PS以增强薄膜的机械强度和稳定性。PS的加入不仅有助于传感器在潮湿环境下的性能维持，还提高了其在机械弯曲条件下的耐受性。

为了验证这些材料对传感器性能的影响，研究团队还制备了两个对照传感器：S145/0（仅含NiO和石墨烯，不含PS）和S0/50（仅含PS和石墨烯，不含NiO）。结果显示，S145/0传感器由于缺乏PS的粘合作用，其在机械稳定性方面表现不佳，容易发生材料脱落，导致无法获得可靠的电阻数据。而S0/50传感器则因为缺乏NiO的温度敏感性，其对温度变化的响应非常有限，呈现出几乎平坦的电阻-温度曲线。这表明，PS和NiO在传感器中各自扮演着不可或缺的角色，前者提供机械支撑和湿度稳定性，后者则负责温度敏感性。

进一步的研究表明，随着PS含量的增加，传感器的电阻-温度曲线从线性逐渐转变为非线性。这种转变与电子传输机制的变化有关，当PS含量增加时，其形成的绝缘性矩阵会增加电子的散射效应，从而改变传感器的导电行为。然而，这种非线性变化也提升了传感器的温度敏感性，使其在不同温度条件下表现出更显著的响应。相比之下，NiO含量的增加对B值的影响相对较小，这表明PS在提升传感器性能方面起着更为关键的作用。

为了进一步评估传感器的性能，研究团队还进行了多种测试，包括响应时间、滞后效应、长期稳定性以及在不同环境条件下的表现。结果显示，S160/75传感器在温度变化时表现出快速的响应能力，其响应时间小于30秒。同时，该传感器在经历80次重复弯曲后，其电阻值仅略有波动，表明其在机械性能上具备良好的耐久性。此外，传感器在水浸泡5天后仍能保持其温度敏感性，尽管其电阻值有所增加，但其对温度变化的响应仍然保持稳定，这表明其在化学稳定性方面也表现出色。

实验还通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等手段对传感器的结构和形态进行了详细分析。XRD结果表明，NiO纳米颗粒和石墨烯纳米片在传感器中保持了其原有的晶体结构，这进一步验证了材料的成功复合。SEM图像则揭示了传感器表面的微观结构，显示出均匀的材料分布和良好的薄膜形成效果。这些结构特征不仅有助于理解传感器的工作原理，也为后续的优化和改进提供了理论依据。

在实际应用测试中，该传感器被成功安装在咖啡杯上，用于实时温度监测。当倒入热水时，传感器的输出电压迅速上升，显示出其对温度变化的高度敏感性。同时，当接触冷水时，传感器也能够准确地检测出温度变化，其测量结果与商用传感器的温度读数非常接近，表明其在实际应用中具有较高的准确性。这一实验不仅验证了传感器的性能，也展示了其在日常生活和工业应用中的潜力。

与以往的NiO基传感器相比，该研究中的传感器在制造温度、温度检测范围和B值方面均表现出独特的优势。其制造温度仅为60°C，远低于传统传感器所需的300至1500°C，这大大降低了生产成本和制造复杂度。同时，该传感器的温度检测范围限制在?10至50°C之间，虽然相较于某些高温传感器有所局限，但这一范围恰好适用于许多实际应用场景，如食品储存、医疗设备和环境监测等。其B值为2354 K，虽然略低于某些高灵敏度传感器，但足以满足大多数应用的需求，尤其是在不需要超高灵敏度的场合。

综上所述，本文所开发的基于NiO的柔性温度传感器，通过合理设计材料组合和制造工艺，成功克服了传统传感器在生产成本、制造复杂性和环境适应性方面的局限。该传感器不仅具备快速的响应时间和良好的长期稳定性，还表现出优异的湿度适应性和机械灵活性。这些特性使其成为一种极具潜力的新型温度监测解决方案，有望在多个关键领域中得到广泛应用。未来，随着材料科学和制造技术的进一步发展，此类传感器的性能和应用范围有望进一步扩大，为实现更加高效、可靠和经济的温度监测提供新的思路和技术支持。