Graphen, hexagonal angeordnete Kohlenstoffatome in einer einzigen Schicht mit hervorragender Biegsamkeit und hoher Leitfähigkeit, könnte laut einem von der Penn State geleiteten internationalen Forschungsteam die flexible Elektronik voranbringen. Huanyu "Larry" Cheng, Dorothy Quiggle Career Development Professor in Penn State's Department of Engineering Science and Mechanics (ESM), leitet das Team, das vor kurzem zwei Studien veröffentlicht hat, die der Forschung und Entwicklung zukünftiger Geräte zur Bewegungserkennung, Tastsensorik und Gesundheitsüberwachung dienen könnten.
Untersuchung, wie die Laserbearbeitung Form und Funktion von Graphen beeinflusst
Verschiedene Stoffe können durch Laserstrahlung in Kohlenstoff umgewandelt werden, um Graphen zu erzeugen. Das daraus entstehende Produkt wird als laserinduziertes Graphen (LIG) bezeichnet und kann spezifische Eigenschaften aufweisen, die durch das Ausgangsmaterial bestimmt werden. Das Team testete diesen Prozess, und die Ergebnisse wurden vor der Veröffentlichung in SCIENCE CHINA Technological Sciences "Effects of laser processing parameters on properties of laser-induced graphene by irradiation CO2 laser on polyimide" online zur Verfügung gestellt.
Proben von Polyimid, einer Art Kunststoff, wurden durch Laserscanning bestrahlt. Die Forscher variierten die Leistung, die Scangeschwindigkeit, die Anzahl der Durchgänge und die Dichte der Scanlinien. "Wir wollten untersuchen, wie verschiedene Parameter des Laserbearbeitungsprozesses unterschiedliche Nanostrukturen erzeugen", so Cheng. "Durch die Variation der Leistung konnten wir LIG entweder in einer Faser- oder Schaumstruktur erzeugen.
Die Forscher fanden heraus, dass sich bei niedrigeren Leistungen, von 7,2 bis etwa 9 Watt, ein poröser Schaum mit vielen ultrafeinen Schichten bildete. Dieser LIG-Schaum wies eine elektrische Leitfähigkeit und eine gute Widerstandsfähigkeit gegen Hitzeschäden auf - beides Eigenschaften, die für Komponenten elektronischer Geräte nützlich sind.
Durch die Erhöhung der Leistung von ca. 9 Watt auf 12,6 Watt änderte sich das LIG-Bildungsmuster von Schaum zu Bündeln kleiner Fasern. Der Durchmesser dieser Bündel wurde mit zunehmender Laserleistung größer, während eine höhere Leistung das webartige Wachstum eines Fasernetzes förderte. Die faserige Struktur zeigte eine bessere elektrische Leitfähigkeit als der Schaum. Laut Cheng könnte diese höhere Leistung in Verbindung mit der Form der Faser Möglichkeiten für Sensorvorrichtungen eröffnen.
"Im Allgemeinen ist dies ein leitfähiges Gerüst, das wir für die Konstruktion anderer Komponenten verwenden können", so Cheng. "Solange die Faser leitfähig ist, können wir sie als Gerüst verwenden und viele nachträgliche Modifikationen an der Oberfläche vornehmen, um eine Reihe von Sensoren zu ermöglichen, wie z. B. einen Glukosesensor auf der Haut oder einen Infektionsdetektor für Wunden". Eine stärkere Laserbestrahlung führte zu einer höheren Leitfähigkeit, die jedoch aufgrund der übermäßigen Verkohlung durch die Verbrennung schließlich abnahm.
Demonstration eines kostengünstigen LIG-Sensors
Auf der Grundlage der früheren Studie machten sich Cheng und sein Team daran, einen flexiblen LIG-Drucksensor zu entwerfen, herzustellen und zu testen.
"Drucksensoren sind sehr wichtig", sagte Cheng. "Wir können sie nicht nur im Haushalt und in der Fertigung einsetzen, sondern auch auf der Hautoberfläche, um viele Signale des menschlichen Körpers zu messen, z. B. den Puls. Sie können auch an der Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine eingesetzt werden, um die Leistung von Prothesen zu verbessern oder deren Befestigungspunkte zu überwachen."
Das Team testete zwei Designs. Bei der ersten wurde eine dünne LIG-Schaumstoffschicht zwischen zwei Polyimidschichten mit Kupferelektroden eingefügt. Wenn Druck ausgeübt wurde, erzeugte das LIG Strom. Die Hohlräume im Schaumstoff verringerten die Anzahl der Wege, die die Elektrizität zurücklegen konnte, was die Lokalisierung der Druckquelle erleichterte und die Empfindlichkeit gegenüber feinen Berührungen zu verbessern schien.
Dieses erste Design erkannte, wenn es am Handrücken oder am Finger befestigt wurde, Beuge- und Streckbewegungen der Hand - sowie die charakteristischen Perkussions-, Tidal- und diastolischen Wellen des Herzschlags. Laut Cheng könnte diese Pulsmessung mit einer Elektrokardiogramm-Messung kombiniert werden, um den Blutdruck ohne Manschette zu messen.
Bei der zweiten Konstruktion haben die Forscher Nanopartikel in den LIG-Schaum eingearbeitet. Diese winzigen Kugeln aus Molybdändisulfid, einem Halbleiter, der sowohl als Leiter als auch als Isolator fungieren kann, verbesserten die Empfindlichkeit des Schaums und seine Widerstandsfähigkeit gegen physikalische Kräfte. Dieses Design war auch bei wiederholter Verwendung sehr widerstandsfähig und zeigte vor und nach fast 10.000 Einsätzen nahezu identische Leistungen. Beide Designs waren kostengünstig und ermöglichten eine einfache Datenerfassung, so Cheng.
Für weitere Informationen:
https://www.psu.edu/news/research/story/graphene-made-lasers-wearable-health-devices/ [This is automatically translated from English]