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2024/12/23 10:28:41生命活动依赖于离子导体,机器运行依赖于电子导体。当离子与电子间不发生电化学反应时,非法拉第结(non-faradaic junction,NFJ)就成为桥接生命与机器的载体。NFJ具有类电容特性,其电荷-电压曲线对多种环境信号都敏感。因此,NFJ具有高灵敏、快响应、体积小、稳定、自供电等特点,是一个理想的传感平台。NFJ传感器广泛用于心电、脑电、肌电等电生理信号的测量,在可穿戴设备、可植入设备、软体机器人等领域中展现出极大的应用潜力。此外,力学原理的发展和材料合成方法的丰富为NFJ传感器的设计提供了极大的空间和灵活性,以满足不同的应用需求和挑战(如柔软、可拉伸、透明、可降解等)。
最近,中山大学王叶成研究员、西安交通大学贾坤副教授和哈佛大学锁志刚教授,对非法拉第结传感(Non-Faradaic Junction Sensing)这一领域进行了全面系统地综述,阐述了NFJ传感的原理,总结了NFJ压力、声音、温度和化学传感的研究进展,讨论了NFJ传感器的材料选择(电子导体、离子导体和介电体),展望了NFJ传感领域的发展前景与机遇
考虑电解质与电极的界面。当离子与电子间不发生电化学反应时,离子与电子积聚在界面两侧。由于积聚的离子数和电子数不相等,离子导体内部会形成具有纳米厚度L的离子云层。离子-电子界面和离子云层共同组成了NFJ(图1)。NFJ具有类电容器特性,其电荷-电压曲线对压力、声波、温度、化学物质等多种环境信号敏感,是一个理想的传感平台。
图1 NFJ传感原理
NFJ传感具有自供电、快响应、高灵敏、体积小、稳定等特点。因为NFJ两侧积聚的离子数和电子数不相等,NFJ是一个预充电的电容器,所以NFJ传感器是自供电的。因为NFJ的厚度小(~1-10 nm),离子扩散距离短,所以NFJ传感器的响应快。因为NFJ的电容大(~0.1 F m-2),所以NFJ传感器的灵敏度高、体积小。因为离子和电子间不发生电化学反应,所以NFJ传感器的稳定性高。
在压力作用下,离子导体与电子导体的接触面积发生变化,使得NFJ电容发生变化(图2)。在离子导体和电子导体上引入微结构可以大幅增加二者的接触面积,从而进一步提高传感器的灵敏度。与传统的电容式压力传感器相比,NFJ压力传感器具有更高的灵敏度和更小的体积。与传统的压电式和摩擦电式压力传感器相比,NFJ压力传感器的材料选择范围更广,且可以测量静态压力。
图2 NFJ压力传感
在声波作用下,NFJ的电容发生变化(图3)。与压力传感类似,在离子导体和电子导体上引入微结构可以提高传感器的灵敏度。与传统的光学、压电式和电容式声学传感器相比,NFJ传感器能够测量更低频率的声学信号。
图3 NFJ声学传感
当温度发生变化时,NFJ的厚度发生变化,从而产生随温度变化的电压(图4)。NFJ温度传感器具有高灵敏(~1-10 mV K⁻1)、快响应(~10 ms)、自供电等特性,且可以拥有多种传感构型以满足不同的应用需要。与传统热电偶相比,NFJ温度传感器具有更高的灵敏度。与传统的电阻式温度传感器相比,NFJ温度传感器是自供电的。此外,NFJ温度传感器可以实现全软、可拉伸和透明传感,而传统温度传感器是硬的、不可拉伸和不透明的。这些优点使得NFJ温度传感器在智能织物、可穿戴设备、软体机器人等领域具有应用潜力。
图4 NFJ温度传感
当电极和含有化学物质的电解质接触时,化学物质会吸附在电极-电解质界面,从而产生随化学物质浓度变化的NFJ电压(图5)。NFJ化学传感器具有高灵敏、快响应、自供电等特性,同时还能进行选择性传感和可穿戴传感,在柔性生物电子、食品安全、环境监测等领域具有广泛的应用前景。
图5 NFJ化学传感
“Non-faradaic junction sensing”综述发表于Nature Reviews Materials,作者有王叶成研究员(中山大学)、贾坤副教授(西安交通大学)和锁志刚教授(哈佛大学;中国科学院外籍院士、美国科学院院士、美国工程院院士、美国艺术与科学院院士)。