[发明专利]一种黑磷柔性应力传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种黑磷柔性应力传感器及其制备方法，属于柔性应力传感器技术领域；具体是将黑磷晶粒旋涂至衬板后，将衬板连同赤磷、碘、锡装入石英管中封管；经过常压加热并保温一定时间后得到黑磷薄膜，将黑磷薄膜封装在上层PDMS微薄膜基底和下层图形化PDMS微薄膜基底中并连接电极制备得到柔性压力传感器，其中采用FIB技术对PDMS微薄膜进行图形化加工；本发明在衬底表面形成大量形核点，极大提高了黑磷在衬底表面的成膜面积和成膜质量，黑磷薄膜悬空，增加薄膜应变量，进而提高传感性能，从而灵活、方便的实现了超灵敏柔性应力传感器。

技术领域

本发明属于柔性应力传感器技术领域，具体为一种黑磷柔性应力传感器及其制备方法。

背景技术

随着应力传感器和智能设备的发展，生物整合治疗、便携医疗监护、电子皮肤和可穿戴显示器等领域对柔性应力传感器的技术需求日益增长。相比大部分二维薄膜材料，黑磷属于直接带隙半导体，具有带隙可调和高迁移率的优势，在光电子相关器件和生物医学等领域具有巨大应用潜力。且二维黑磷薄膜具有特有的晶格的褶皱结构，此结构使黑磷成为一种柔软，但具有机械弹性、能够承受大的应变调制的材料。因此黑磷薄膜可作为一种新的超灵敏柔性应力传感材料。

以赤磷作为原料，碘和锡作为矿化剂，低压合成黑磷的方法广泛应用在块体黑磷晶体合成中。薄膜材料作为兼容现有半导体工艺必不可缺的条件之一，合成高质量薄膜材料是实现器件应用的前提。目前柔性传感层材料主要以碳纳米管和石墨烯等碳材料为主，然而这些材料存在材料机械强度不高和材料易疲劳等问题。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，提供一种黑磷柔性应力传感器及其制备方法，以提高柔性传感器的灵敏度。

本发明是通过如下技术方案实现的。

一种黑磷柔性应力传感器，包括应变感应层、柔性封装层和电极，所述柔性封装层包括上层的PDMS微薄膜基底和下层的图形化PDMS微薄膜基底，所述应变感应层设置在PDMS微薄膜基底和图形化PDMS微薄膜基底之间，所述应变感应层与电极电连接，所述应变感应层为黑磷薄膜。

优选的，所述黑磷薄膜的制备方法包括以下步骤：

1）制备黑磷衬底：在衬底表面旋涂一层 黑磷晶粒得到黑磷衬底，所述黑磷晶粒的粒径为1-100μm。

2）将黑磷衬底、赤磷、碘和锡按质量比为50-200:50-200:1:1 的比例装入石英管中并密封；对密封石英管进行升温处理，使衬底表面沉积一定厚度的薄膜；所述的升温是10-12℃/min的速率升温至600-610℃。

3）将衬底取出，降至室温后，重新放入干净密封的石英管中，升温速率为5-7℃/min升温至500-520℃ ，保温2-2.5h后，再以0.5-0.7℃/min的速率降至120-150℃，得到附着在衬底上的黑磷薄膜。

优选的，所述的衬底为硅、碳化硅、蓝宝石中的任意一种。

优选的，所述赤磷、碘和锡的纯度＞99.95 wt%。

优选的，所述密封石英管内充有惰性气体。

一种黑磷柔性应力传感器的制备方法，具体为：剥离衬底表面的黑磷薄膜，并将黑磷薄膜转移到下层图形化PDMS微薄膜基底上；在黑磷薄膜上通过银浆连接电极，并采用上层PDMS微薄膜对黑磷薄膜和电极进行绝缘封装。

优选的，采用聚焦离子束对PDMS 微薄膜进行微纳图形化加工制备得到图形化PDMS微薄膜基底。