近日，西北工业大学黄维院士团队王学文教授课题组提出了一种喷墨打印和热退火策略，设计了一种超薄且连续的柔性钼钨硫合金薄膜，可实现对温度的微秒级瞬态响应，制备的柔性传感器阵列可稳定工作于-253℃到800℃的超宽温域，实现了对复杂形状以及热传导过程的高精度空间映射，相关成果以“Microsecond-Scale Transient Thermal Sensing Enabled by Flexible Mo1-xWxS2 Alloys”为题发表在Research上。
Citation:Weiwei Li,Lingyan Kong,Manzhang Xu,Jiuwei Gao,Lei Luo,Yingzhe Li,Kexin Wang,Yilin Zhou,Lei Li,Yuan Wei,et al.Microsecond-Scale Transient Thermal Sensing Enabled by Flexible Mo1-xWxS2 Alloys.Research.2024:Article 0452.
https://doi.org/10.34133/research.0452
一、研究背景
对航空航天、兵器技术及核工业等国防军工领域关键参量的实时收集与智能感知能够提高运载系统、动力系统与能源系统的安全性和可靠性，有助于加速新一代空天装备的智能化与更新换代。传感器对于极端温度变化的瞬态监测是设备和系统安全运行的重要保障。相较于传统刚性传感器，柔性传感器具有本征柔性，能够与复杂形状与曲面结构完美贴合，精准感知复杂曲面的温度、应变等物理参量。此外，其轻、薄的特性能显著降低传感器的质量和体积，利于实现微型化、轻量化。近年来，材料科学的快速发展催生了一系列独特的柔性敏感材料，如半导体、碳纳米材料、过渡金属化合物等，广大学者也试图将其应用到高温、高压等特种领域，以期实现极端环境中的柔性以及优异的传感性能。然而，受限于材料本身的不耐温特性以及界面的热适配与易失效性质，现有材料体系在高温环境中往往稳定性较差、传感特性衰减，难以同时实现高温和瞬态响应。
二、研究进展
西北工业大学黄维院士团队王学文教授课题组报道了一种基于超薄钼钨硫合金薄膜的柔性传感阵列（图1），通过喷墨打印精准沉积可定制化的前驱体图案，热退火工艺则实现了高质量钼钨硫合金薄膜的原位生长，显著提升了薄膜与衬底之间的结合力，有效保障了柔性器件在高温环境中的稳定性。通过该工艺能够精准调控钼钨硫合金薄膜的组分、形状、厚度、电性能等物理化学参数，有望拓宽其应用范围。
图1 基于钼钨硫合金薄膜的柔性传感阵列
得益于柔性钼钨硫合金的超快载流子传输，制备的柔性传感器可实现在超宽温度范围内（-253到800℃）对温度的瞬态响应，其响应时间低至毫秒级，远低于基于碳纳米材料、半导体、金属等的传感器（图2）。此外，该柔性传感器在低温、常温和高温区间内拥有0.02℃的超高分辨率。
图2 基于钼钨硫合金的柔性传感器的宽温域与瞬态响应特性
得益于其在高温环境中的超快响应特性，基于钼钨硫合金的柔性传感器能够检测到与液氮、水滴、火焰等接触时的瞬态微小温度变化（图3），其响应速度远高于商用的热电偶。该传感器还具有强鲁棒性，其电阻变化能够在超过一百次的高低温交替循环过程中保持相对恒定，这也为其实际应用奠定了坚持基础。
图3 基于钼钨硫合金的柔性传感器的动态响应特性
在全面表征单个传感器性能的基础上，进一步制备了具有6×6个传感单元的柔性传感阵列，该阵列不仅能够精准识别静态高温、低温物体的形状，而且能够实现对诸如火苗、火焰等任意形状的二维空间重构（图4），具有较高的空间分辨率。此外，得益于优异的瞬态响应特性，该阵列能够对高温热传导、低温物体滚落等瞬态发生的温度变化进行精准记录和空间映射（图4）。
图4 柔性传感阵列的空间映射
三、未来展望
柔性瞬态传感能够精准监测航空发动机燃烧室内的物象变化、重构高超声速飞行器的应力分布和运动状态、深入了解炸药的爆燃过程等，在航空航天、武器研制、国防科技等方向具有重要应用前景。本研究针对当前柔性瞬态高温传感研究中存在的器件高温适应性差、力学失配、界面稳定性差等问题，设计了组分和物化参量可调的钼钨硫合金薄膜，揭示了其在超宽温度范围内对温度的瞬态响应特性，进一步通过调控薄膜结构、热应力等，增强了高温下钼钨硫合金薄膜与衬底之间的界面强度，实现了柔性传感器在零下253℃到800℃这一超宽温域内的毫秒级响应。此外，设计并制备的柔性传感阵列能够对静态、动态任意复杂物体的形状重构以及对热传导过程的空间映射。该研究不仅为设计、制备其它功能性敏感材料提供了新的思路，也为柔性传感器在极端环境中的应用提供了新的可能。
四、作者简介
王学文：西北工业大学教授、西北工业大学教授、博士生导师、国家级青年人才，柔性电子研究院副院长、柔性电子陕西省重点实验室副主任、柔性电子陕西省高校工程中心主任。主要从事特种柔性电子与智能感知研究开发，主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、陕西省重点研发计划等各类项目十余项。近年来，以第一或通讯作者在Nat.Commun.（1篇）、Sci.Adv.（1篇）、Adv.Mater.（9篇）、J.Am.Chem.Soc.（2篇）、Research（3篇）等国际权威学术期刊发表学术论文60余篇；获授权中国发明专利15项、美国专利1项。相关研究成果被新华社、中央广播电视总台、《科技日报》等多家主流媒体报道。担任国家重点专项总体组专家、全国标准化技术委员会委员、以及FlexMat、InfoMat、《中国科学：材料》等多个主流学术期刊编委、青年编委、客座编辑等。是西北工业大学翱翔青年学者、翱翔海外学者、吴亚军优秀青年教师特等奖获得者，入选英国皇家化学会Nanoscale新锐科学家、美国化学会“材料新星”、全球前2%顶尖科学家榜单等。
黄维：中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、美国国家工程院外籍院士。有机电子、塑料电子、生物电子、印刷电子、能源电子、健康电子、智能电子和柔性电子学家，有机电子与信息显示国家重点实验室主任，柔性电子国家重点实验室培育建设点主任，国家柔性电子基础（前沿）科学中心首席科学家。亚太地区工程组织联合会（FEIAP）主席、世界工程组织联合会执行委员兼主席高级顾问。俄罗斯科学院、英国谢菲尔德大学、南非约翰内斯堡大学名誉博士，英国皇家化学会、美国光学学会、国际光学工程学会、新加坡化学会会士。获得两项国家自然科学奖二等奖、四项教育部高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学奖一等奖、一项何梁何利“科技进步奖”、六项江苏省科学技术奖及两项中国电子学会自然科学奖一等奖，成果两次入围“中国高等学校十大科技进展”和“中国半导体十大研究进展”等。以通讯或第一作者身份在Nature、Science等世界顶尖学术期刊发表研究论文900余篇，H因子190，国际同行引用逾15万次，是科瑞唯安（全球顶尖科技论文数据库）物理、化学与材料学科全球高被引学者。
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