Capteur magnétique flexible haute performance utilisant nanofils Ag et PDMS dopé nanoparticules magnétiques

Résumé

Cet article présente un nouveau capteur de champ magnétique flexible basé sur des nanofils Ag et des nanoparticules magnétiques dopées dans du polydiméthylsiloxane (AgNWs & MNs-PDMS) avec structure sandwich. Les MNs agissent comme unité sensible pour la détection de champ magnétique dans ce travail. De plus, les réseaux conducteurs sont formés par les AgNWs pendant la déformation. La magnétostriction entraîne le changement de résistance des capteurs AgNWs & MNs-PDMS. En outre, les MNs augmentent les chemins conducteurs pour les électrons, menant à une résistance initiale plus faible et une sensibilité plus élevée du capteur résultant pendant la déformation. Un point à souligner est que l'interaction des AgNWs et MNs joue un rôle irremplaçable dans la détection de champ magnétique, donc le changement de résistance pendant l'étirement et le retrait a été étudié. Le capteur de champ magnétique flexible basé sur le rapport massique MNs:AgNWs de 1:5 a montré la sensibilité la plus élevée de 24,14 Ω/T dans l'expérience de détection de champ magnétique. Finalement, les modèles de détection magnétostrictif et piézorésistif ont été établis pour explorer le mécanisme du capteur.

Contexte

Les dispositifs électroniques flexibles ont récemment attiré une attention considérable en raison de leurs capacités de surveillance à long terme et d'interaction facile [1-5]. Ils deviennent l'un des capteurs électriques les plus prometteurs en raison d'avantages tels que poids léger, portabilité, excellentes propriétés électriques, et haute intégration [6-11]. Indubitablement, les nanomatériaux jouent un rôle irremplaçable dans les capteurs flexibles en raison de leurs propriétés exceptionnelles, par exemple petites tailles, effet de surface, et effet de tunnel quantique [12-14]. Basés sur l'effet de tunnel résonnant des nanomatériaux, de nombreuses recherches se concentrent sur les capteurs de contrainte piézorésistifs dont les résistances changent avec la déformation [15-17]. Une des applications clés des capteurs de contrainte souples est la peau électronique flexible, donc les multi-fonctionnalités sont la tendance de développement des capteurs. Certains rapports ont déclaré l'ajout de modules de détection de température [18, 19] et d'humidité [20, 21] dans les réseaux de détection de contrainte.

Outre les capacités de détection de contrainte, température et humidité, les réseaux de détection de peau électronique ont grandement besoin de nouvelles fonctions. En d'autres termes, plus de fonctions rendent la peau électronique plus intelligente. Parmi les nouvelles fonctions, la détection de champ magnétique est une application novatrice. Il faut mentionner que seul le capteur de champ magnétique souple peut être utilisé comme module pour la peau électronique à l'avenir. En raison du fait que les capteurs de champ magnétique souples peuvent être utilisés dans des zones plus complexes basés sur leur flexibilité et élasticité, certains chercheurs travaillent sur ce domaine [22-26]. Chlaihawi et al. ont préparé un capteur de film mince ME pour applications de détection H_ac [27]. Jogschies et al. ont étudié des couches minces NiFe 81/19 polyimide pour la détection de champ magnétique [28]. Tekgül et al. ont appliqué les multicouches magnétiques CoFe/Cu sur des capteurs GMR [29]. Melzer et al. ont rapporté des capteurs de champ magnétique flexibles reposant sur l'effet Hall [30]. Un certain nombre de capteurs de champ magnétique optiques flexibles ont également été étudiés [31-34]. En comparant avec les détecteurs de champ magnétique traditionnels, les capteurs de champ magnétique flexibles sont plus pratiques à appliquer et ils sont plus petits et plus adaptés pour la détection dans des environnements complexes. Cependant, les études sur les capteurs de champ magnétique souples pour peau électronique multi-fonctionnelle ont été rarement rapportées, pour autant que nous sachions.

En raison des excellentes propriétés électroniques et magnétiques des nanofils Ag [35-37] et MNs (Ni-Fe) [38, 39] respectivement, cet article propose la conception et la mesure de capteurs de champ magnétique flexibles AgNWs & MNs-PDMS avec structure sandwich basés sur les effets magnétostrictif et piézorésistif. Les MNs ont été introduites comme unités sensibles au champ magnétique dans le capteur de contrainte piézorésistif basé sur AgNWs. La déformation magnétostrictive différente du capteur basé sur AgNWs & MNs-PDMS cause différentes variations de résistance. Après caractérisation des nanomatériaux, trois rapports massiques différents de MNs et AgNWs (AgNWs & MNs ; 1:1, 1:2, 1:5) ont été utilisés pour préparer des capteurs de champ magnétique flexibles. Avant d'investiguer les propriétés de détection de champ magnétique des capteurs, les relations entre les changements de résistance et l'étirement ou la rétraction ont été étudiées pour conclure l'interaction des MNs et AgNWs. Basé sur les résultats de caractérisation, le capteur de champ magnétique obtenu dans ce travail peut être appliqué sur la peau électronique multi-fonctionnelle à l'avenir.

Méthodes

Préparation des Capteurs Flexibles

Les MNs ont été synthétisées par la méthode de composition latex [24, 25]. Le diamètre et la longueur des AgNWs (achetés de la société Changsha Weixi New Material Technology Corporation, Chine, en longueur) sont respectivement 50 nm et 20 μm. Différents rapports de MNs et AgNWs ont été choisis pour étudier la quantité appropriée de nanomatériaux. Ainsi, MNs et AgNWs en rapport massique de 0:1, 1:5, 1:2, et 1:1 ont été dispersés par ultrasons dans de l'éthanol absolu. La Figure 1 montre le schéma du processus de fabrication du capteur. L'élastomère PDMS et le réticulant en rapport massique 10:1 ont été déposés sur le substrat avec un ruban adhésif rectangulaire collé. Après chauffage à 70 °C pendant 2 h, le PDMS avec rainure a été décollé et découpé en forme requise, et la taille de la rainure est 30 mm × 5 mm. Quatre échantillons d'AgNWs & MNs en différents rapports ont été remplis dans les encoches des films PDMS respectivement. Deux électrodes en cuivre souple ont été installées des deux côtés, puis le PDMS a été déposé sur le dessus pour fixer les électrodes et nanomatériaux. Après chauffage à 70 °C pendant 2 h, les capteurs ont été obtenus.

Caractérisation

Les AgNWs & MNs avec différents rapports de mélange ont été caractérisés via microscope électronique à balayage (MEB, S4700 SEM Hitachi Corporation, Tokyo, Japon). Les composants des AgNWs & MNs en différents rapports massiques ont été caractérisés par mesures DRX (Buker D8 Advance) utilisant un rayonnement Cu K de longueur d'onde 1,5406 Å.

Les courbes courant-tension ont été mesurées par le Keithley 2400 Source Meter à température ambiante (la température ambiante était 25 °C). Les expériences d'étirement ont été réalisées sur la plateforme d'étirement (Zolix TSM25-1A et Zolix TSMV60-1 s, Zolix Corporation, Beijing, Chine), et la résistance des capteurs a été mesurée par Keithley 2400 Source Meter. Les expériences de détection de champ magnétique ont été menées lorsque le capteur flexible était fixé dans différents champs magnétiques. L'intensité du champ magnétique commençait à 0 T et augmentait par 0,1 T.

Résultats et Discussion

Le spectre DRX des MNs est montré à la Fig. 2. Les pics caractéristiques suggèrent que les MNs sont composées de FeCo, FeNi, et Co(OH)₂. Le résultat démontre que toutes ces compositions sont des matériaux magnétiques.

Les images MEB des AgNWs & MNs sont affichées à la Fig. 3. Les Ag NWs purs avec 20 μm de longueur et 50 nm de diamètre forment un réseau linéaire qui peut être observé à la Fig. 3a. Les morphologies des AgNWs & MNs en rapport massique de 5:1, 2:1, et 1:1 sont exhibées aux Fig. 3b-d. De petites quantités de MNs parmi les Ag NWs peuvent être observées à la Fig. 3b. Les réseaux à la Fig. 3c sont plus clairsemés comparés aux Fig. 3a, b évidemment. De plus, le pliage des AgNWs et plus de MNs peuvent être vus à la Fig. 3d. Les réseaux conducteurs qui sont construits par AgNWs et la quantité de MNs augmentent apparemment aux Fig. 3a-d. Le mélange uniforme des Ag NWs et MNs, qui sont montrés aux Fig. 3a-d, jouent un rôle de connexion pour augmenter la sensibilité des capteurs lors de l'étirement ou du retrait. Les rôles joués par AgNWs et MNs peuvent être expliqués par les résultats de la Fig. 3.

Les courbes I-V des capteurs basés sur AgNWs & MNs en rapport massique de 1:0, 5:1, 2:1, et 1:1 sont montrées à la Fig. 4. Les quatre courbes sont toutes des lignes droites lisses, ce qui représente que les quatre capteurs montrent des caractéristiques ohmiques significatives. Cela déclare que ces capteurs sont conductifs et stables sans déformation.

Il peut être calculé à partir de la Fig. 4a que la résistance du capteur est de 41,58 Ω lorsque l'unité sensible est de l'AgNWs pur. Les résistances des capteurs basés sur AgNWs & MNs en rapport massique de 1:0, 5:1, 2:1, et 1:1 sont 30,2 Ω, 5,04 Ω, et 2,87 Ω comme montré aux Fig. 4b-d. Cela montre une tendance de résistance décroissante lorsque les MNs sont introduites dans les unités sensibles. En comparant les résistances des quatre capteurs, on peut conclure que les résistances des capteurs de champ magnétique flexibles diminuent avec l'augmentation de la proportion de MNs, et la résistance minimale se produit au capteur avec AgNWs & MNs en rapport massique de 1:1. Cela peut aussi prouver que le mélange d'AgNWs & MNs dans une certaine proportion aide à réduire la résistance, car les composants conducteurs des MNs ont conduit plus de chemins conducteurs dans les réseaux.

Les relations entre les changements de résistance, et l'étirement ou la rétraction ont été étudiées pour conclure l'interaction entre MNs et AgNWs pendant la déformation. Les changements de résistance relative des capteurs basés sur AgNWs & MNs avec extension sous température ambiante sont montrés aux Fig. 5a-d. Le changement de résistance pendant le processus d'étirement est représenté par les courbes noires, et le changement de résistance pendant le processus de relâchement est tracé par les courbes rouges. ΔR et R₀ représentent le changement de résistance relative sous la déformation et la résistance initiale du capteur, et L₀ et ΔL représentent la longueur initiale et l'allongement relatif de l'éprouvette axiale du capteur. Le facteur de jauge des capteurs pourrait être calculé à travers l'équation du facteur de jauge (GF) = ΔR/R₀ : ΔL/L₀. La Figure 5a montre que le capteur basé sur AgNWs est conducteur dans le processus d'étirement et de récupération lorsque la longueur de traction est dans 7,12 % de la longueur originale, et son GF est 129,6. La résistance augmente pendant l'étirement. Cela peut être attribué à l'augmentation de l'espacement entre AgNWs dans le capteur pendant la déformation, les canaux de tunnel, et le chemin conducteur se réduit de cette façon. Le processus inverse a causé la diminution de la résistance pendant la rétraction. Lorsque les MNs ont été introduites dans l'unité sensible, les caractéristiques de détection de contrainte du dispositif flexible changent aussi. La résistance du capteur basé sur AgNWs & MNs en rapport massique de 5:1 change presque linéairement lorsque la plage d'étirement est dans 4,4 % de la longueur originale à la Fig. 5b. Lorsque la longueur de traction est plus de 3,9 % de la longueur originale, des augmentations plus élevées de résistance se produisent. Le GF du capteur augmente à 257, ce qui signifie que la sensibilité du capteur a augmenté comparée au capteur basé sur AgNWs pur. Cependant, la plage de contrainte n'est pas améliorée par la participation des MNs en rapport massique de 5:1, ce qui peut être observé aux Fig. 5a, b. La Figure 5c démontre que la résistance du capteur basé sur AgNWs & MNs en rapport massique de 2:1 change linéairement lorsque la plage d'étirement est dans 8,7 % de la longueur originale, et le GF du capteur est 264,4, qui est plus élevé que celui des capteurs basés sur AgNWs & MNs en rapport massique de 1:0 et 5:1. À la Fig. 5d, la résistance du capteur basé sur AgNWs & MNs en rapport massique de 1:1 change linéairement lorsque la plage d'étirement est dans 9 % de la longueur originale. Lorsque la longueur de traction est plus de 9 % de la longueur originale, la résistance change substantiellement, et le GF est 222,2. En résumé, le capteur de champ magnétique flexible basé sur AgNWs & MNs en rapport massique de 2:1 montre le plus grand GF de 264,4, et il a une plage d'étirement relativement grande. De plus, ce capteur répond plus sensiblement au fur et à mesure que le stress augmente, le changement de résistance a une meilleure relation linéaire aussi. Basé sur l'ingrédient principal des MNs est FeCo, qui est un alliage conducteur. En comparant ces quatre types de capteurs, plus la participation des MNs fait plus de chemins conducteurs dans les unités sensibles pendant l'étirement. Cependant, un rapport plus élevé de MNs dans Ag NWs & MNs en même qualité signifie moins d'existence d'Ag NWs, ce qui est nuisible pour la stabilité du réseau conducteur pendant la déformation. C'est la raison de la chute relative de la résistance à 9 % de déplacement. Par conséquent, les AgNWs & MNs en rapport massique de 1:1 est la plus grande quantité de MNs que nous avons conçue dans ce travail, et le capteur basé sur AgNWs & MNs en rapport massique inférieur à 1:1 devient non-conducteur dès l'étirement. Les résultats de la Fig. 5 démontrent que les effets synergétiques des AgNWs et MNs dans certains rapports augmentent la sensibilité et la plage de contrainte.

Les MNs peuvent se rapprocher sous champ magnétique, donc la magnétostriction peut mener au retrait des capteurs. Afin de caractériser l'interaction des AgNWs et MNs dans les capteurs pendant le retrait, nous avons mesuré le changement de résistance pendant le retrait, et les résultats expérimentaux sont montrés à la Fig. 6. La Figure 6a montre que le capteur basé sur AgNWs est conducteur dans le processus de retrait et récupération lorsque la longueur de contraction est dans 1,6 % de la longueur originale, et son GF le plus haut est 13,75 ; les AgNWs incorporés dans le PDMS se contactent ensemble pendant le processus de retrait, ce qui mène à l'augmentation des chemins de conduction. Par conséquent, la résistance diminue au fur et à mesure que la force de contraction augmente. La diminution de l'espacement entre AgNWs dans le capteur, de plus en plus de nanofils se chevauchent, résultant en la diminution de la résistance du capteur. Lorsque nous avons introduit les MNs dans les AgNWs, la Fig. 6b illustre que les caractéristiques de retrait du dispositif flexible basé sur AgNWs & MNs en rapport massique de 5:1. La résistance du capteur change avec la plage de retrait est 2,5 % de la longueur originale, et le GF le plus haut est 24. Substantiellement, le même changement de résistance s'applique aussi aux capteurs basés sur AgNWs & MNs en rapport massique de 2:1 et 1:1, ce qui est montré aux Fig. 6c, d. En augmentant le rapport massique de MNs dans l'unité sensible, la résistance du capteur basé sur AgNWs & MNs en rapport massique de 2:1 change lorsque la plage de retrait est dans 1,6 % de la longueur originale, et son GF est 21,875. En même temps, la résistance des capteurs basés sur AgNWs & MNs en rapport massique de 1:1 diminue aussi lorsque la plage de retrait est dans 2,8 % de la longueur originale, et son GF est 20,35. On peut conclure que le changement de résistance du capteur basé sur AgNWs & MNs en rapport massique de 5:1 avec retrait est plus grand que celui des trois autres capteurs, et la sensibilité est la plus grande. Contrairement au processus d'étirement, la résistance de tous les capteurs diminue au fur et à mesure que la longueur de contraction augmente. Lorsque AgNWs & MNs en rapport massique est 5:1, le capteur a le coefficient de sensibilité le plus haut pendant le processus de contraction, dont le GF le plus haut est 24. En comparant Fig. 6a-d, une quantité moindre de MNs connecte les chemins conducteurs plus facilement car il y a plus d'espace pour le mouvement des matériaux pendant le retrait, ce qui est contraire aux résultats de la Fig. 5. En conséquence, le GF du capteur basé sur AgNWs & MNs en rapport massique de 5:1 est le plus haut lors du retrait. Les résultats de la Fig. 6 démontrent que les effets synergétiques se produisent quand AgNWs et MNs à plus grand rapport.

Dans différents champs magnétiques, différents changements de résistance de capteurs magnétiques flexibles sont montrés à la Fig. 7. La résistance du capteur basé sur AgNWs est 41,58 Ω. Comme montré à la Fig. 7a, nous mettons le capteur basé sur AgNWs pur dans un champ magnétique augmentant graduellement, et la résistance du capteur change car il vibre en conséquence. En raison de l'effet magnétostrictif des matériaux métalliques, la résistance du capteur est légèrement changée. Le taux maximal de changement de résistance est 0,037 lorsque l'intensité du champ magnétique est 0,4 T. La résistance du capteur basé sur AgNWs & MNs en rapport massique de 5:1 diminue aussi avec l'augmentation de l'intensité du champ magnétique comme montré à la Fig. 7b. Comparé au capteur sans MNs, le changement de résistance du capteur basé sur AgNWs & MNs en rapport massique de 5:1 avec le changement de champ magnétique est plus évident. Lorsque l'intensité du champ magnétique est 0,4 T, le taux maximal de changement de résistance est 0,28. Aux Fig. 7c, d, la même application aux capteurs basés sur AgNWs & MNs en rapport massique de 2:1 et 1:1, et les changements de résistance sont 0,14 et 0,19 alors que le champ magnétique augmente respectivement. La sensibilité du capteur basé sur AgNWs & MNs en rapport massique de 5:1 est la plus haute, et la variation de résistance continue avec le champ magnétique a été montrée à la Fig. 8. La comparaison des paramètres des capteurs de contrainte basés sur différents rapports de MNs et AgNWs est présentée dans le Tableau 1.

Il peut être calculé que la sensibilité du capteur de champ magnétique est 24,14 Ω/T. En conclusion, lorsque le rapport massique de MNs et AgNWs est 1:5, la réponse du capteur au champ magnétique changeant est la plus sensible avec une sensibilité de 24,14 Ω/T. Le capteur de champ magnétique flexible obtenu dans ce travail peut être appliqué plus loin sur la détection de l'intensité du champ magnétique. Les résultats de test de cette application correspondent au processus de retrait du capteur en comparant les résultats aux Figs. 7 et 8. Cela signifie que les nanomatériaux dans les capteurs se déplacent ensemble quand ils sont mis dans un champ magnétique. L'analyse du mécanisme est détaillée comme suit.

Pour comprendre les variations de résistance des capteurs pendant différentes intensités de champ magnétique, nous proposons un modèle simple pour décrire le principe de fonctionnement du capteur comme montré à la Fig. 9. De nombreux AgNWs et MNs dans le PDMS forment un réseau conducteur. Les chemins conducteurs formés par AgNWs et MNs sans champ magnétique sont montrés comme les lignes rouges à la Fig. 9a. Les MNs tendent à être uniformément arrangées sous champ magnétique, ce qui est montré à la Fig. 9b. Cependant, il y a un minuscule espace pour le changement de position des MNs, donc seules les directions des MNs changent avec les lignes de champ magnétique. L'intensité de champ magnétique plus élevée représente une force plus grande des MNs qui peut surmonter les contraintes du réseau des AgNWs. La direction du mouvement des MNs fait que les Ag NWs se rassemblent ensemble, ce qui est la raison de l'augmentation du nombre de chemins conducteurs. Plus de chemins conducteurs signifient plus de transfert d'électrons, ce qui mène à une résistance plus faible, la résistance diminue avec l'augmentation de l'intensité du champ magnétique de cette façon.

Conclusions

Le dispositif conçu dans cet article est conforme à la tendance de développement de l'électronique flexible. Un capteur de champ magnétique flexible basé sur AgNWs & MNs-PDMS avec structure sandwich a été étudié dans ce travail. Basé sur les caractérisations MEB et DRX, les composants et morphologies des différents rapports de nanomatériaux ont été déterminés. Ensuite, les courbes courant-tension et changements de résistance des capteurs basés sur AgNWs & MNs en rapport massique de 1:0, 5:1, 2:1, et 1:1 avec étirement et retrait ont été mesurés respectivement. L'interaction entre les AgNWs et MNs pendant la déformation a été conclue à travers les résultats de caractérisation. Ensuite, les capteurs basés sur différents rapports massiques de MNs et AgNWs ont été investigués pour les propriétés de détection de champ magnétique. Lorsque le rapport massique d'AgNWs et MNs est 5:1, le capteur préparé montre la plus haute sensibilité de 24,14 Ω/T. Les résultats expérimentaux montrent que le capteur se rétracte avec l'augmentation de l'intensité du champ magnétique. De plus, les modèles de détection magnétostrictif et piézorésistif ont été établis pour explorer le mécanisme de ce capteur.

Abréviations

AgNWs :

Nanofils Ag

GF :

Facteur de jauge

MNs :

Nanoparticules magnétiques

PDMS :

Polydiméthylsiloxane

MEB :

Microscope électronique à balayage

DRX :

Diffraction des rayons X