Sensor Flexível de Campo Magnético Avançado Usando Nanofios de Ag e Nanopartículas Magnéticas em PDMS

Resumo

Este artigo apresenta um novo sensor flexível de campo magnético baseado em nanofios de Ag e nanopartículas magnéticas dopadas em polidimetilsiloxano (AgNWs & MNs-PDMS) com estrutura sanduíche. As MNs atuam como unidade sensível para detecção de campo magnético neste trabalho. Além disso, as redes condutivas são feitas por AgNWs durante deformação. Magnetostrição leva à mudança de resistência dos sensores AgNWs & MNs-PDMS. Ademais, as MNs aumentam os caminhos condutivos para elétrons, levando a menor resistência inicial e maior sensibilidade do sensor resultante durante deformação. Um ponto a enfatizar é que a interação dos AgNWs e MNs desempenha papel insubstituível na detecção de campo magnético, então a mudança de resistência durante estiramento e encolhimento foi investigada. O sensor flexível de campo magnético baseado na razão de massa de MNs e AgNWs 1:5 mostrou a maior sensibilidade de 24,14 Ω/T no experimento de detecção de campo magnético. Finalmente, modelos de sensoriamento magnetostritivo e piezorresistivo foram estabelecidos para explorar o mecanismo do sensor.

Fundamentação

Dispositivos eletrônicos flexíveis atraíram tremenda atenção recentemente devido às suas capacidades de interação facilitada e monitoramento de longo prazo [1-5]. Eles se tornam um dos sensores elétricos mais prospectivos devido a vantagens como leveza, portabilidade, excelentes propriedades elétricas e alta integração [6-11]. Indubitavelmente, nanomateriais desempenham papel insubstituível em sensores flexíveis devido às suas propriedades excepcionais, por exemplo tamanhos pequenos, efeito de superfície e efeito de tunelamento quântico [12-14]. Baseados no efeito de tunelamento ressonante de nanomateriais, muitas pesquisas focam em sensores de deformação piezorresistivos cujas resistências mudam com deformação [15-17]. Uma das principais aplicações dos sensores de deformação macios é pele eletrônica flexível, então multi-funcionalizações são tendência de desenvolvimento dos sensores. Alguns relatórios declararam adição de módulos de sensoriamento de temperatura [18, 19] e umidade [20, 21] em arrays de sensoriamento de deformação.

Além de sensoriamento de deformação, temperatura e umidade, arrays de sensoriamento de pele eletrônica precisam desesperadamente de algumas novas funções. Em outras palavras, mais funções tornam a pele eletrônica mais inteligente. Entre as novas funções, sensoriamento de campo magnético é uma aplicação nova. Tem que mencionar que apenas sensor de campo magnético macio pode ser usado como módulo para pele eletrônica no futuro. Devido a sensores de campo magnético macios poderem ser usados em áreas mais complexas baseados em sua flexibilidade e elasticidade, alguns pesquisadores trabalham neste campo [22-26]. Chlaihawi et al. prepararam sensor de filme fino ME flexível para aplicações de sensoriamento H_ac [27]. Jogschies et al. investigaram camadas finas de NiFe 81/19 poliamida para sensoriamento de campo magnético [28]. Tekgül et al. aplicaram multilayers magnéticos CoFe/Cu em sensores GMR [29]. Melzer et al. relataram sensores flexíveis de campo magnético baseados no efeito Hall [30]. Vários sensores ópticos flexíveis de campo magnético também foram estudados [31-34]. Comparando com detectores tradicionais de campo magnético, sensores flexíveis de campo magnético são mais convenientes de aplicar e são menores e mais adequados para detecção em ambientes complexos. No entanto, estudos sobre sensor de campo magnético macio voltado para pele eletrônica multi-funcional foram raramente relatados até onde sabemos.

Devido às excelentes propriedades eletrônicas e magnéticas dos nanofios de Ag [35-37] e MNs (Ni-Fe) [38, 39] respectivamente, este artigo propõe o projeto e medição de sensores flexíveis de campo magnético AgNWs & MNs-PDMS com estrutura sanduíche baseados em efeitos magnetostritivo e piezorresistivo. MNs foram introduzidas como unidades sensíveis a campo magnético em sensor de deformação piezorresistivo baseado em AgNWs. Diferentes deformações magnetostritivas do sensor baseado em AgNWs & MNs-PDMS causam diferentes variações de resistência. Após caracterização dos nanomateriais, três diferentes razões de massa de MNs e AgNWs (AgNWs & MNs; 1:1, 1:2, 1:5) foram usadas para preparar sensores flexíveis de campo magnético. Antes de investigar propriedades de sensoriamento de campo magnético dos sensores, as relações entre mudanças de resistência e estiramento ou retração foram estudadas para concluir a interação de MNs e AgNWs. Baseado nos resultados de caracterização, o sensor de campo magnético obtido neste trabalho pode ser aplicado em pele eletrônica multi-funcional no futuro.

Métodos

Preparação dos Sensores Flexíveis

MNs foram sintetizadas pelo método de compostagem de látex [24, 25]. O diâmetro e comprimento dos AgNWs (comprados da Changsha Weixi New Material Technology Corporation, China) são 50 nm e 20 µm, respectivamente. Diferentes razões de MNs e AgNWs foram escolhidas para investigar a quantidade adequada de nanomateriais. Assim, MNs e AgNWs em razão de massa de 0:1, 1:5, 1:2 e 1:1 foram dispersos ultrassonicamente em etanol absoluto. A Figura 1 mostra o esquemático do processo de fabricação do sensor. Elastômero PDMS e agente de reticulação em razão de massa 10:1 foi depositado no substrato com fita retangular colada. Após aquecido a 70 °C por 2 h, o PDMS com sulco foi descascado e cortado na forma requerida, e o tamanho do sulco é 30 mm × 5 mm. Quatro amostras de AgNWs & MNs em diferentes razões foram preenchidas nos entalhes dos filmes de PDMS respectivamente. Dois eletrodos de cobre macios foram instalados em ambos os lados, e então PDMS foi depositado no topo para fixar eletrodos e nanomateriais. Após aquecido a 70 °C por 2 h, os sensores foram obtidos.

Caracterização

AgNWs & MNs com diferentes razões de mistura foram caracterizados via microscópio eletrônico de varredura (MEV, S4700 SEM Hitachi Corporation, Tokyo, Japão). Os componentes de AgNWs & MNs em diferentes razões de massa foram caracterizados por medições XRD (Buker D8 Advance) usando radiação Cu K de comprimento de onda 1,5406 Å.

Curvas corrente-tensão foram medidas pelo Keithley 2400 Source Meter a temperatura ambiente (25 °C). Experimentos de estiramento foram realizados na plataforma de estiramento (Zolix TSM25-1A e Zolix TSMV60-1 s, Zolix Corporation, Beijing, China), e a resistência dos sensores foi medida pelo Keithley 2400 Source Meter. Experimentos de sensoriamento de campo magnético foram realizados quando o sensor flexível foi fixado em diferentes campos magnéticos. A intensidade do campo magnético começou em 0 T e aumentou em 0,1 T.

Resultados e Discussão

O espectro XRD das MNs foi mostrado na Fig. 2. Os picos característicos sugerem que as MNs são compostas por FeCo, FeNi e Co(OH)₂. O resultado demonstra que todas estas composições são materiais magnéticos.

Imagens MEV de AgNWs & MNs são exibidas na Fig. 3. Ag NWs puros com 20 µm de comprimento e 50 nm de diâmetro formam rede linear observada na Fig. 3a. Morfologias de AgNWs & MNs em razão de massa 5:1, 2:1 e 1:1 são exibidas nas Fig. 3b-d. Pequenas quantidades de MNs entre Ag NWs podem ser observadas na Fig. 3b. As redes na Fig. 3c são mais esparsas comparadas com Fig. 3a, b obviamente. Além disso, curvatura dos AgNWs e mais MNs podem ser vistas na Fig. 3d. As redes condutivas construídas por AgNWs e a quantidade de MNs aumentam aparentemente na Fig. 3a-d. Mistura uniforme de Ag NWs e MNs, mostradas na Fig. 3a-d, desempenham papel de conexão para aumentar sensibilidade dos sensores durante estiramento ou encolhimento. Os papéis que AgNWs e MNs desempenharam podem ser explicados pelos resultados na Fig. 3.

Curvas I-V dos sensores baseados em AgNWs & MNs em razão de massa 1:0, 5:1, 2:1 e 1:1 são mostradas na Fig. 4. As quatro curvas são todas linhas retas suaves, representando que os quatro sensores mostram características ôhmicas significativas. Declara que estes sensores são condutivos e estáveis sem deformação.

Pode ser calculado da Fig. 4a que a resistência do sensor é 41,58 Ω quando a unidade sensível é AgNWs puro. As resistências dos sensores baseados em AgNWs & MNs em razão de massa 1:0, 5:1, 2:1 e 1:1 são 30,2 Ω, 5,04 Ω e 2,87 Ω conforme mostrado nas Fig. 4b-d. Mostra tendência de resistência decrescente quando MNs foram introduzidas nas unidades sensíveis. Comparando as resistências dos quatro sensores, conclui-se que as resistências dos sensores flexíveis de campo magnético diminuem com aumento da proporção de MNs, e a resistência mínima ocorre no sensor com AgNWs & MNs em razão de massa 1:1. Também prova que mistura de AgNWs & MNs em certa proporção ajuda a reduzir resistência, porque componentes condutivos das MNs levaram mais caminhos condutivos nas redes.

As relações entre mudanças de resistência e estiramento ou retração foram estudadas para concluir a interação entre MNs e AgNWs durante deformação. As mudanças relativas de resistência dos sensores baseados em AgNWs & MNs com extensão sob temperatura ambiente são mostradas na Fig. 5a-d. A mudança de resistência durante processo de estiramento é representada por curvas pretas, e a mudança de resistência durante processo de liberação é plotada por curvas vermelhas. ΔR e R₀ representam mudança relativa de resistência sob deformação e resistência inicial do sensor, e L₀ e ΔL representam comprimento inicial e elongação relativa do espécime axial do sensor. Fator de gauge dos sensores pode ser calculado através da equação GF = ΔR/R₀ : ΔL/L₀. Figura 5a mostra que sensor baseado em AgNWs é condutivo no processo de estiramento e recuperação quando comprimento de tração está dentro de 7,12% do comprimento original, e seu GF é 129,6. A resistência aumenta durante estiramento. Isso pode ser atribuído ao aumento no espaçamento entre AgNWs no sensor durante deformação, canais de tunelamento e caminho condutivo reduzem desta forma. O processo reverso causou diminuição da resistência durante retração. Quando MNs foram introduzidas na unidade sensível, as características de sensoriamento de deformação do dispositivo flexível também mudam. A resistência do sensor baseado em AgNWs & MNs em razão de massa 5:1 muda quase linearmente quando faixa de estiramento está dentro de 4,4% do comprimento original na Fig. 5b. Quando comprimento de tração é mais de 3,9% do comprimento original, aumentos maiores de resistência ocorreram. GF do sensor aumenta para 257, o que significa sensibilidade do sensor aumentada comparando com sensor baseado em AgNWs puro. No entanto, faixa de deformação não é melhorada por participação de MNs em razão de massa 5:1, observável na Fig. 5a, b. Figura 5c demonstra que resistência do sensor baseado em AgNWs & MNs em razão de massa 2:1 muda linearmente quando faixa de estiramento está dentro de 8,7% do comprimento original, e GF do sensor é 264,4, maior que sensores baseados em AgNWs & MNs em razão de massa 1:0 e 5:1. Na Fig. 5d, resistência do sensor baseado em AgNWs & MNs em razão de massa 1:1 muda linearmente quando faixa de estiramento está dentro de 9% do comprimento original. Quando comprimento de tração é mais de 9% do comprimento original, a resistência muda substancialmente, e GF é 222,2. Em resumo, sensor flexível de campo magnético baseado em AgNWs & MNs em razão de massa 2:1 mostra maior GF de 264,4, e tem faixa de estiramento relativamente grande. Além disso, este sensor responde mais sensivelmente conforme estresse aumenta, a mudança de resistência tem melhor relação linear também. Baseado no ingrediente principal das MNs ser FeCo, que é liga condutiva. Comparando estes quatro tipos de sensores, mais participação de MNs faz mais caminhos condutivos nas unidades sensíveis durante estiramento. No entanto, razão mais alta de MNs em Ag NWs & MNs na mesma qualidade significa menor quantidade de Ag NWs existência, o que é prejudicial para estabilidade da rede condutiva durante deformação. Essa é a razão do mergulho relativo de resistência a 9% deslocamento. Consequentemente, AgNWs & MNs em razão de massa 1:1 é a maior quantidade de MNs projetada neste trabalho, e sensor baseado em AgNWs & MNs em razão de massa menor que 1:1 é não-condutivo assim que estica. Os resultados da Fig. 5 demonstram que efeitos sinérgicos de AgNWs e MNs em certas razões aumentam sensibilidade e faixa de deformação.

As MNs podem mover-se mais próximas sob campo magnético, então magnetostrição pode levar ao encolhimento dos sensores. Para caracterizar interação de AgNWs e MNs nos sensores durante encolhimento, medimos mudança de resistência durante encolhimento, e resultados experimentais são mostrados na Fig. 6. Figura 6a mostra que sensor baseado em AgNWs é condutivo no processo de encolhimento e recuperação quando comprimento de contração está dentro de 1,6% do comprimento original, e seu GF máximo é 13,75; AgNWs embutidos em PDMS contactam juntos durante processo de encolhimento, o que leva a aumento de caminhos de condução. Portanto, a resistência diminui conforme força contrátil aumenta. A diminuição no espaçamento entre AgNWs no sensor, mais e mais nanofios se sobrepõem, resultando em diminuição da resistência do sensor. Quando introduzimos MNs nos AgNWs, Fig. 6b ilustra que características de encolhimento do dispositivo flexível baseado em AgNWs & MNs em razão de massa 5:1. A resistência do sensor muda com faixa de encolhimento de 2,5% do comprimento original, e GF máximo é 24. Substancialmente, a mesma mudança de resistência também se aplica a sensores baseados em AgNWs & MNs em razão de massa 2:1 e 1:1, mostrado na Fig. 6c, d. Aumentando razão de massa de MNs na unidade sensível, a resistência do sensor baseado em AgNWs & MNs em razão de massa 2:1 muda quando faixa de encolhimento está dentro de 1,6% do comprimento original, e seu GF é 21,875. Ao mesmo tempo, a resistência de sensores baseados em AgNWs & MNs em razão de massa 1:1 também diminuiu quando faixa de encolhimento está dentro de 2,8% do comprimento original, e seu GF é 20,35. Conclui-se que mudança de resistência do sensor baseado em AgNWs & MNs em razão de massa 5:1 com encolhimento é maior que dos outros três sensores, e sensibilidade é maior. Contrário ao processo de estiramento, a resistência de todos os sensores diminui conforme comprimento de contração aumenta. Quando AgNWs & MNs em razão de massa é 5:1, o sensor tem maior coeficiente de sensibilidade durante processo de contração, cujo GF máximo é 24. Comparando Fig. 6a-d, menor quantidade de MNs conecta caminhos condutivos mais facilmente porque há mais espaço para materiais moverem durante encolhimento, o que é contrário aos resultados da Fig. 5. Consequentemente, GF do sensor baseado em AgNWs & MNs em razão de massa 5:1 é maior quando encolhendo. Os resultados da Fig. 6 demonstram que efeitos sinérgicos ocorrem quando AgNWs e MNs em razão maior.

Em diferentes campos magnéticos, diferentes mudanças de resistência de sensor flexível magnético são mostradas na Fig. 7. A resistência do sensor baseado em AgNWs é 41,58 Ω. Conforme mostrado na Fig. 7a, colocamos sensor baseado em AgNWs puro em campo magnético gradualmente crescente, e a resistência do sensor muda conforme vibra accordingly. Devido ao efeito magnetostritivo de materiais metálicos, a resistência do sensor é ligeiramente alterada. A taxa máxima de mudança de resistência é 0,037 quando intensidade de campo magnético é 0,4 T. A resistência do sensor baseado em AgNWs & MNs em razão de massa 5:1 também diminui com aumento da intensidade de campo magnético como mostrado na Fig. 7b. Comparado com sensor sem MNs, a mudança de resistência do sensor baseado em AgNWs & MNs em razão de massa 5:1 com mudança de campo magnético é mais óbvia. Quando intensidade de campo magnético é 0,4 T, a taxa máxima de mudança de resistência é 0,28. Na Fig. 7c, d, mesma aplicação aos sensores baseados em AgNWs & MNs em razão de massa 2:1 e 1:1, e as mudanças de resistência são 0,14 e 0,19 conforme campo magnético aumenta respectivamente. A sensibilidade do sensor baseado em AgNWs & MNs em razão de massa 5:1 é a maior, e a variação contínua de resistência com campo magnético foi mostrada na Fig. 8. Comparação dos parâmetros dos sensores de deformação baseados em diferentes razões de MNs e AgNWs é apresentada na Tabela 1.

Pode ser calculado que a sensibilidade do sensor de campo magnético é 24,14 Ω/T. Em conclusão, quando razão de massa de MNs e AgNWs é 1:5, a resposta do sensor ao campo magnético variável é mais sensível com sensibilidade de 24,14 Ω/T. O sensor flexível de campo magnético obtido neste trabalho pode ser aplicado em detecção de intensidade de campo magnético. Resultados de teste desta aplicação correspondem ao processo de encolhimento do sensor comparando resultados nas Figs. 7 e 8. Isso significa que nanomateriais nos sensores movem-se juntos quando colocados em campo magnético. Análise de mecanismo declara em detalhe a seguir.

Para entender variações de resistência dos sensores durante diferentes intensidades de campo magnético, propomos modelo simples para descrever princípio de funcionamento do sensor como mostrado na Fig. 9. Numerosos AgNWs e MNs em PDMS formam rede condutiva. Caminhos condutivos formados por AgNWs e MNs sem campo magnético mostrado como linhas vermelhas na Fig. 9a. MNs tendem a ser uniformemente arranjadas sob campo magnético, mostrado na Fig. 9b. No entanto, há pequeno espaço para mudança de posição das MNs, então apenas direções das MNs mudam com linhas de campo magnético. Maior intensidade de campo magnético representa maior força das MNs que pode superar restrições de rede dos AgNWs. Direção do movimento das MNs faz Ag NWs reunirem-se, que é razão para aumento no número de caminhos condutivos. Mais caminhos condutivos significam mais transferência de elétrons, o que leva a menor resistência, a resistência diminui com aumento de intensidade de campo magnético desta forma.

Conclusões

O dispositivo projetado neste artigo conforma com tendência de desenvolvimento de eletrônica flexível. Sensor flexível de campo magnético baseado em AgNWs & MNs-PDMS com estrutura sanduíche foi estudado neste trabalho. Baseado em caracterizações MEV e XRD, componentes e morfologias das diferentes razões de nanomateriais foram determinados. Então, curvas corrente-tensão e mudanças de resistência dos sensores baseados em AgNWs & MNs em razão de massa 1:0, 5:1, 2:1 e 1:1 com estiramento e encolhimento foram medidos respectivamente. Interação entre AgNWs e MNs durante deformação foi concluída através dos resultados de caracterização. Então, sensores baseados em diferentes razões de massa de MNs e AgNWs foram investigados para propriedades de sensoriamento de campo magnético. Quando razão de massa de AgNWs e MNs é 5:1, sensor preparado mostra maior sensibilidade de 24,14 Ω/T. Resultados experimentais mostram que sensor encolhe com aumento de intensidade de campo magnético. Além disso, modelos de sensoriamento magnetostritivo e piezorresistivo foram estabelecidos para explorar mecanismo deste sensor.

Abreviações

AgNWs:

Nanofios de Ag

GF:

Fator de gauge

MNs:

Nanopartículas magnéticas

PDMS:

Polidimetilsiloxano

MEV:

Microscópio eletrônico de varredura

XRD:

Difração de raios-X