多功能传感器和固定传感器网络基础设施的开发和实施需要灵活、无毒和高灵敏度的器件，这可以为从医疗保健到环境监测等诸多应用领域带来变革性的解决方案。石墨烯因其对外界刺激具有高灵敏度的优异电学特性，使其成为先进传感技术的理想候选材料。石墨烯喷墨打印（iGr）可以为多功能传感器制造提供一种通用平台。
据麦姆斯咨询报道，近日，英国诺丁汉大学（University of Nottingham）的研究人员通过将喷墨打印的设计自由度与石墨烯网络的独特特性相结合开发了一种多功能传感器。该传感器能够响应于一系列外部刺激（例如温度、压力、湿度和磁场），适用于部署在硅基以及柔性和可穿戴电子设备中。相关研究成果以“Inkjet Printed Multifunctional Graphene Sensors for Flexible and Wearable Electronics”为题发表在Advanced Electronic Materials期刊上。
在这项工作中，研究人员利用多材料、多层喷墨打印技术设计并制造了一种基于石墨烯的多功能传感器。在这种设计中，由三丙二醇二丙烯酸酯（TPGDA）绝缘层分隔的两个iGr层组成的器件被印刷在柔性Kapton基底上，形成iGr/TPGDA/iGr异质结构。该器件的整体尺寸为1.2 cm x 1.2 cm。
基于石墨烯的多功能传感器设计
该传感器被设计用于同时感测三种外界刺激：底部iGr层用于温度（T）传感，顶部iGr层用于相对湿度（RH）传感，iGr/TPGDA/iGr异质结构的垂直电容用于压力（P）传感，研究人员提供了该技术的概念验证。
（a）不同厚度的iGr器件的归一化电导率；（b）在25°C < T < 80°C温度下，两次加热/冷却循环期间传感器底部iGr条电阻的温度依赖性
（a）iGr电阻对环境RH的依赖性；（b）iGr-TPGDA-iGr夹层结构的电容随施加压力的变化
为了证明这项技术在可穿戴传感器方面的潜力，研究人员展示了一种打印在织物上的iGr传感器。在将iGr喷墨沉积到聚酯棉上之前，将TPGDA底漆层沉积在织物纤维上，以减少石墨烯油墨渗入多孔织物中。这种可穿戴设备对温度、湿度和压力的响应与Kapton上展示的相当。
在织物上喷墨打印的石墨烯/TPGDA异质结构
研究人员已经证明，石墨烯网络对外部刺激的敏感性，再结合喷墨打印所具备的设计自由度，为特定应用的个性化和/或有针对性的传感解决方案提供了一条途径。该研究将多种功能集成在单个传感器中，能够可靠地区分针对每种刺激的输出响应，并为可扩展的制造提供了机会。
总而言之，研究人员通过利用低维材料和聚合物材料的喷墨打印来制造具有高几何自由度的器件架构，实现了多功能石墨烯传感器。该传感器的功能、灵敏度和响应时间根据温度、压力和湿度进行了测试，并证明了其同时监测多种刺激的能力。该传感器已成功喷墨打印在各种柔性和刚性基底上，例如Kapton胶带、Si/SiO₂、玻璃和织物。
研究人员发现该传感器的灵敏度和性能与所使用的基底无关，但高度依赖于沉积的iGr层的厚度。液滴印刷器件表现出与iGr薄膜不同的电子特性，例如器件电导率对薄膜厚度的超线性依赖性、器件电导率的高再现性和强门控效应。Kapton和织物上的iGr薄膜在温度、湿度和压力等环境因素下表现出稳定的性能。这些发现为喷墨打印多功能石墨烯传感器的开发开辟了有益前景，其应用包括环境监测、医疗保健和量子技术。
论文信息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202400689
