Nano-micro Letter
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00580-5
摘
要
采用常压化学气相沉积法制备了基于MoSe2的单层PENG（压电纳米发电机）作为供电系统，PVA/MXene湿度传感器具有高响应值（~40），快速响应/恢复时间（0.9/6.3s），低滞后率1.8%。
引
言
湿度传感器在工业、医疗、空气质量检测、柔性电子越发重要，目前开发了许多信号检测技术，包括电容、石英晶体微天平、体声波、表面声波等，但能耗较大。最新的能量收集技术又压电、摩擦电、热释电、光电和电磁等技术，在这些技术中，基于摩擦电和压电的纳米发电机由于其高耐久性和机械稳定性，特别是在自供电传感器领域被认为具有良好的应用前景，其中单层MoSe2是一种理想的压电材料。本文以PVA/MXene纳米纤维薄膜为湿敏材料，单层MoSe2 PENG为电源驱动制备湿度传感器。
PENG表征：AFM表明单层MoSe2高度轮廓为0.8nm。其压电机理为：初始状态下，MoSe2两端不产生诱导电荷；被拉伸时，边缘产生极性相反的电荷；释放时，反向电流导致负电压峰值。因此拉伸和释放会导致PENG产生交替的正负电压输出信号。
自供电压电湿度传感器（PEHS）表征：SAED表现出原子的六边形排列。PVA/MXene具有极小的接触角和优异的亲水性。
图1 MoSe2片基PENG和b PVA/MXene湿度传感器的制作示意图。c湿度传感测量实验平台原理图。d APCVD法制备单层MoSe2。e带有两个电极的MoSe2压电器件的光学显微镜图像。f柔性PENG器件照片
图2单层MoSe2薄片的AFM形貌图。b图2a中沿白线的相对高度。c单层MoSe2薄片的拉曼光谱。d单层MoSe2压电器件的工作方案。e器件的开路电压作为应变的函数。f 0.36%应变下频率为0的实时输出电压。赫兹。g 0.36%应变下单层MoSe2器件输出电压和电流随外部负载电阻的变化关系。h功率与负载阻力的关系。i循环测试显示单层MoSe2器件长时间的稳定性
图3 MoSe2装置在人体各部位的能量采集和应用B的手腕。手指按压。d的喉咙。e柔性PENG在“纳米”、“能量”、“传感器”等各种声音刺激下的输出电压变化。f脖子弯曲。膝盖弯曲。h、i人体运动检测
湿度传感测试
图5a MXene、PVA和PVA/MXene薄膜传感器在不同相对湿度下的电阻。b不同相对湿度下PVA/MXene薄膜传感器的动态电阻变化。c PVA/MXene薄膜传感器的重复性。d PVA/MXene传感器在11% ~ 97% RH范围内的电阻响应和恢复曲线。e传感器随湿度增减的电阻。f PVA/MXene纳米纤维薄膜传感器湿度滞回曲线
图6 a自供电MXene、PVA、PVA/MXene薄膜传感器对不同湿度的响应拟合曲线b PVA/ mxene型PEHS在不同湿度下的输出电压。c自供电PVA/MXene传感器的重复性。d手指缓慢接近传感器时的输出电压。e柔性传感器用于检测人体呼吸频率。f不同运动次数后手臂皮肤表面湿度检测结果
湿度机理：PVA和MXene都有大量羟基，质子可以在相邻的两个羟基上跃迁。水分子可以帮助电子在水分子之间转移。低湿度，质子可以帮助电子隧穿；高湿度下，水分子与羟基紧密结合。PVA吸附水分子形成的氢离子在水分子之间跳跃。随着湿度增加，氢离子浓度增加，导致传感器电阻降低。MXene具有优异的金属导电性，可作为电荷传输导电层，有利于加速水分子的吸脱附。
