應用奈米纖維混摻石墨烯於高靈敏度濕度檢測

112年08月09日

【本篇報導由機電工程學系  張天立特聘教授研究團隊提供】 　　本研究為應用奈米纖維（Nanofibers）混摻自熱（Self-heating）石墨烯（Graphene,G）之結構，以進行檢測材料元件之特性與測試，達成該結構元件於濕度之高靈敏度偵測目標，該檢測主要是透過自熱導電共軛奈米複合纖維之電性變化的機制，以能獲得環境待測的濕度濃度值。本研究是利用電紡絲（Electrospinning）製作奈米纖維結構（Nanofiber structures），並採以不同濃度的混摻石墨烯片材於奈米複合纖維的結構成型，完成該材料結構特性之探討及結構元件在調控溫度之濕度偵測（Humidity detection）。   　　在檢測晶片及系統技術於監測濕度之應用，開發具有成本效益的方式有其必要，而以薄膜電阻式元件本身的自熱效應，是有機會準確與可靠的偵測在不同領域環境下獲得其相對濕度(Relative humidity, RH)值，該相關範圍包含半導體工業、電子機械設備、種植保護、化學加工和氣象測量等。一般而言，薄膜電阻式感測器於其偵測應用是具有多個優點，如低功耗、高靈敏度、良好的穩定性以及響應（或恢復時間）。 　　相較於金屬電極檢測元件，本研究會開發具導電特性之奈米複合纖維結構元件，是利用電紡絲的製程方式製作奈米纖維（奈米線）結構，該製程是利用高壓靜電將聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol, PVA）溶液製備成為微米甚至奈米尺寸纖維，其結構是具有高比表面積、大孔隙率、較高的導熱及導電性能的優點。在此，奈米纖維會混摻自熱石墨烯(G)材料，由於考慮該材料其電性、機械強度及熱穩定性，該成型的奈米複合纖維結構可增加元件電性檢測，提高其濕度偵測之靈敏度，如圖1所示。 　　本研究證明檢測奈米複合纖維結構元件於濕度偵測具創新性，該研究是奈米複合纖維製程與電紡絲機制，提供PVA-G奈米複合纖維薄膜材料於檢測結構元件技術，經成型導電奈米纖維結構元件於濕度偵測應用。研究團隊在此相關研究已有多年經驗，且多數研究成果皆已發表於著名國際期刊，所作的學術研究是深具前瞻及潛力。關於本篇複合纖維結構元件於濕度偵測成果，張教授研究團隊已將於2021年1月發表在該領域之國際頂尖期刊（Sensors and Actuators B: Chemical）。本研究提出與證明以複合纖維結構元件之濕度偵測平臺技術，其具有成本低、製造容易及偵測反響應良好等優點，能有機會進一步整合檢測模組，並透過實際佈局於濕度偵測應用。 圖1：PVA-G奈米複合纖維薄膜結構元件於濕度偵測   原文出處： Chen, Z. C., Chang, T. L., Su, K. W., Lee, H. S., Wang, J. C. (2021). Application of self-heating graphene reinforced polyvinyl alcohol nanowires to high-sensitivity humidity detection. Sensors and Actuators, B: Chemical, 327, 128934. (SCI Journal) (Corresponding author) https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.128934