石墨烯是由單層碳原子組成的六角晶格，是一種典型的二維材料。石墨烯兼具透明、導電、柔性、穩定等特性，在可穿戴的柔性電子學器件應用方面具有巨大潛力。應力傳感器件是柔性電子學器件的一個重要分支。完美石墨烯是半金屬或者說是零帶隙半導體，在面內具有極高的機械強度，這使得其在應力傳感器件應用時主要面臨兩方面的困難：一是應力測量范圍不大（<5%）；二是測量精度不夠高（靈敏因子～2）。
針對這兩方面的問題，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）納米物理與器件實驗室博士生趙靜等在導師時東霞、張廣宇的指導下開展了以下兩方面的工作：提出了一種石墨烯波紋結構應力傳感器，使應力測量范圍超過30%；設計了一種基于隧穿效應的納米石墨烯薄膜應力傳感器，使靈敏因子提高到500以上。這種高靈敏度的應力傳感器所采用的石墨烯是利用實驗室自行搭建的遠程等離子體化學氣相沉積系統直接沉積到襯底上。所生長的石墨烯具有納米尺寸（幾納米到幾十納米）和準連續的特點。電流流經這些石墨烯片層是通過隧穿效應實現的。當外界施加應力時，由于隧穿距離的增大其電阻會有顯著升高。通過調控生長條件，如生長溫度、生長時間等，可以改變石墨烯片層的大小和形核密度，即改變片層之間的隧穿距離，從而可以調控石墨烯薄膜的表面電阻和靈敏因子。在實際應用中，可以根據需求選擇不同表面電阻和靈敏度的準連續石墨烯來構造應力傳感器。
這種準連續的納米石墨烯薄膜還可以轉移到柔性襯底上，制作柔性、透明的高靈敏度應力傳感器，進而應用于人造電子皮膚等領域。這種柔性的應力傳感器具有良好的穩定性，在經過大于萬次的壓力測試后其初始電阻沒有明顯變化；響應時間極快，只有幾毫秒，遠小于人類皮膚的響應時間（30-50 ms）；空間分辨率良好，器件之間的間距可以小到幾微米。此外，這種石墨烯電子皮膚由于厚度小，可將其粘在手指上檢測關節的活動；或者構造集成的器件陣列以對薄膜的表面應力分布進行實時測量。
這種基于石墨烯隧穿效應的應力傳感器具有可拉伸、靈敏度高、穩定性強、透明等特點，其在人造皮膚、觸摸屏等方面顯示了巨大的應用潛力。相關研究成果發表在ACS Nano 等期刊上。這項工作得到了中科院先導（B）計劃、國家自然科學基金納米制造項目和“973”青年項目的資助。
圖1.（a）人造電子皮膚。(b) 在不同生長溫度下GF 隨表面電阻的增加而增大。
圖2. (a) 10000次壓力測試下的電阻實時變化圖。(b) 石墨烯應力傳感器的時間響應。
圖3. 電子皮膚的空間分辨率
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