AgNW 및 MN-PDMS 기반의 유연한 자기장 센서

결과 및 토론

MN의 XRD 스펙트럼은 그림 2에 나와 있습니다. 특징적인 피크는 MN이 FeCo, FeNi 및 Co(OH)₂로 구성되어 있음을 시사합니다. . 결과는 이러한 모든 구성이 자성 물질임을 보여줍니다.

MN의 XRD 스펙트럼

AgNW 및 MN의 SEM 이미지는 그림 3에 표시됩니다. 길이가 20 μm이고 직경이 50 nm인 순수한 Ag NW는 그림 3a에서 관찰할 수 있는 선형 네트워크를 형성합니다. 5:1, 2:1 및 1:1의 질량비에서 AgNW 및 MN의 형태는 그림 3b-d에 나와 있습니다. Ag NW 중 소량의 MN이 그림 3b에서 관찰될 수 있습니다. 그림 3c의 네트워크는 분명히 그림 3a, b에 비해 희소합니다. 또한, AgNW 및 더 많은 MN의 굽힘은 그림 3d에서 볼 수 있습니다. AgNW에 의해 구축된 전도성 네트워크와 MN의 양이 그림 3a-d에서 분명히 증가합니다. 그림 3a–d에 표시된 균일한 혼합 Ag NW 및 MN은 늘어나거나 줄어들 때 센서의 감도를 높이는 연결 역할을 합니다. AgNW와 MN이 수행한 역할은 그림 3의 결과로 설명할 수 있습니다.

아 1:0의 질량 비율의 AgNW 및 MN, b 5:1, ㄷ 2:1 및 d 1:1

1:0, 5:1, 2:1, 1:1의 질량비에서 AgNW 및 MN을 기반으로 하는 센서의 IV 곡선은 그림 4에 나와 있습니다. 4개의 곡선은 모두 부드러운 직선이며, 이는 4개의 센서는 상당한 옴 특성을 보여줍니다. 이 센서는 전도성이 있고 변형 없이 안정적임을 선언합니다.

a의 질량비에서 AgNW 및 MN을 기반으로 하는 센서의 I-V 곡선 1:0, b 5:1, ㄷ 2:1 및 d 1:1

민감한 단위가 순수한 AgNW일 때 센서의 저항은 41.58 Ω임을 그림 4a에서 계산할 수 있습니다. 1:0, 5:1, 2:1 및 1:1의 질량비에서 AgNW 및 MN을 기반으로 하는 센서의 저항은 그림 4b–d와 같이 30.2 Ω, 5.04 Ω 및 2.87 Ω입니다. MN이 민감한 세포에 도입되었을 때 저항이 감소하는 경향을 보여줍니다. 4개의 센서의 저항을 비교하면 유연한 자기장 센서의 저항은 MN의 비율이 증가함에 따라 감소하고 AgNW와 MN의 질량비가 1:1인 센서에서 최소 저항이 발생한다는 결론을 내릴 수 있습니다. 또한 MN의 전도성 구성 요소가 네트워크에서 더 많은 전도성 경로를 이끌기 때문에 AgNW와 MN을 특정 비율로 혼합하면 저항을 줄이는 데 도움이 된다는 것을 증명할 수 있습니다.

변형 동안 MN과 AgNW 사이의 상호 작용을 결론짓기 위해 저항 변화와 신축 또는 수축 간의 관계가 연구되었습니다. 실온에서 확장된 AgNW 및 MN 기반 센서의 상대 저항 변화는 그림 5a-d에 나와 있습니다. 스트레칭 과정에서의 저항 변화는 검은색 곡선으로 표시되고, 이형 과정에서의 저항 변화는 빨간색 곡선으로 표시됩니다. ΔR 및 R ₀ 센서의 변형과 초기 저항에 따른 상대 저항 변화를 나타내며, L ₀ 및 ΔL 센서의 축 방향 시편의 초기 길이와 상대 연신율을 나타냅니다. 센서의 게이지 계수는 게이지 계수(GF) =ΔR의 방정식을 통해 계산할 수 있습니다. /R ₀ :ΔL /엘 ₀ . 그림 5a는 AgNWs 기반 센서가 인장 길이가 원래 길이의 7.12% 이내이고 GF가 129.6일 때 신축 및 회복 과정에서 전도성임을 보여줍니다. 스트레칭하는 동안 저항이 증가합니다. 이는 변형 동안 센서에서 AgNW 사이의 간격 증가, 터널링 채널 및 이러한 방식으로 전도 경로 감소에 기인할 수 있습니다. 역 과정은 후퇴 동안 저항의 감소를 야기했습니다. MN이 민감한 장치에 도입되면 플렉서블 장치의 스트레인 감지 특성도 변경됩니다. 5:1의 질량비에서 AgNW 및 MN을 기반으로 하는 센서의 저항은 스트레칭 범위가 그림 5b의 원래 길이의 4.4% 이내일 때 거의 선형적으로 변화합니다. 인장 길이가 원래 길이의 3.9% 이상이면 저항의 더 높은 증가가 발생했습니다. 센서의 GF는 257로 증가하는데, 이는 순수한 AgNW를 기반으로 하는 센서에 비해 센서의 감도가 증가했음을 의미합니다. 그러나 변형 범위는 그림 5a, b에서 관찰할 수 있는 5:1의 질량비에 MN이 참여해도 개선되지 않습니다. 그림 5c는 인장 범위가 원래 길이의 8.7% 이내이고 센서의 GF가 264.4로 2:1의 질량비로 AgNW 및 MN을 기반으로 하는 센서의 저항이 선형적으로 변하는 것을 보여줍니다. 1:0 및 5:1의 질량비로 AgNW 및 MN을 기반으로 하는 센서. 그림 5d에서 1:1의 질량비에서 AgNW 및 MN을 기반으로 하는 센서의 저항은 신축 범위가 원래 길이의 9% 이내일 때 선형적으로 변화합니다. 인장 길이가 원래 길이의 9% 이상이면 저항이 크게 변하고 GF는 222.2입니다. 요약하면 질량비 2:1의 AgNWs &MNs 기반의 Flexible magnetic field sensor는 264.4의 가장 큰 GF를 나타내며 상대적으로 큰 stretchable range를 가진다. 또한 이 센서는 응력이 증가함에 따라 더 민감하게 반응하며 저항 변화도 더 나은 선형 관계를 갖습니다. MN의 주성분은 전도성 합금인 FeCo입니다. 이 네 종류의 센서를 비교하면 MN의 참여가 많을수록 스트레칭 중에 민감한 장치에서 더 많은 전도성 경로가 만들어집니다. 그러나 동일한 품질의 Ag NW 및 MN에서 MN의 비율이 높을수록 Ag NW의 존재량이 적어 변형 중 전도성 네트워크의 안정성에 유해합니다. 이것이 9% 변위에서 상대 저항이 급락하는 이유입니다. 결과적으로, 1:1의 질량비의 AgNW 및 MN은 우리가 이 작업에서 설계한 가장 높은 MN 양이며, 1:1 미만의 질량비의 AgNW 및 MN을 기반으로 하는 센서는 스트레칭하자마자 비전도성입니다. 그림 5의 결과는 특정 비율의 AgNW와 MN의 시너지 효과가 감도와 변형 범위를 증가시킴을 보여줍니다.

a의 질량비에서 AgNW 및 MN을 기반으로 한 센서의 상대 저항 변화 1:0, b 5:1, ㄷ 2:1 및 d 1:1 변형

MN은 자기장 아래에서 더 가깝게 이동할 수 있으므로 자기 변형으로 인해 센서가 축소될 수 있습니다. 수축 중 센서에서 AgNW와 MN의 상호 작용을 특성화하기 위해 수축 중 저항 변화를 측정했으며 실험 결과는 그림 6에 나와 있습니다. 그림 6a는 AgNW 기반 센서가 수축 과정에서 전도성임을 보여줍니다. 수축 길이가 원래 길이의 1.6% 이내이고 최고 GF가 13.75일 때 수축 및 회복; PDMS에 내장된 AgNW는 수축 과정에서 함께 접촉하여 전도 경로가 증가합니다. 따라서 수축력이 증가함에 따라 저항이 감소합니다. 센서에서 AgNW 사이의 간격이 감소할수록 더 많은 나노와이어가 중첩되어 센서의 저항이 감소합니다. MN을 AgNW에 도입했을 때, Fig. 6b는 AgNW와 MN을 5:1의 질량비로 기반으로 한 플렉서블 디바이스의 수축 특성을 보여줍니다. 수축 범위에 따라 센서의 저항 변화는 원래 길이의 2.5%이고 가장 높은 GF는 24입니다. 실질적으로 동일한 저항 변화는 질량비 2:1의 AgNW 및 MN 기반 센서에도 적용됩니다. 1:1, 그림 6c, d에 나와 있습니다. 민감한 단위에서 MN의 질량비를 증가시키면 2:1의 질량비에서 AgNW 및 MN을 기반으로 한 센서의 저항은 수축 범위가 원래 길이의 1.6% 이내이고 GF가 21.875일 때 변화합니다. 동시에, 수축 범위가 원래 길이의 2.8% 이내이고 GF가 20.35일 때 질량비 1:1의 AgNW 및 MN 기반 센서의 저항도 감소했습니다. 수축과 함께 5:1의 질량비에서 AgNW와 MN을 기반으로 한 센서의 저항 변화는 다른 세 센서의 저항 변화보다 크고 감도가 가장 크다는 결론을 내릴 수 있습니다. 스트레칭 과정과 달리 모든 센서의 저항은 수축 길이가 증가함에 따라 감소합니다. AgNW 및 MN의 질량 비율이 5:1일 때 센서는 수축 과정에서 가장 높은 감도 계수를 가지며 가장 높은 GF는 24입니다. 그림 6a–d를 비교하면 MN의 양이 적을수록 전도성 경로를 연결하기가 더 쉽습니다. 5:1의 질량비로 AgNWs와 MN을 기반으로 한 센서의 GF는 수축시 가장 높게 나타났다. 그림 6의 결과는 AgNW와 MN의 비율이 높을 때 시너지 효과가 발생함을 보여줍니다.

a의 질량비에서 AgNW 및 MN을 기반으로 한 센서의 상대 저항 변화 1:0, b 5:1, ㄷ 2:1 및 d 수축과 1:1

서로 다른 자기장에서 서로 다른 유연한 자기 센서 저항 변화가 그림 7에 나와 있습니다. AgNW 기반 센서의 저항은 41.58 Ω입니다. 그림 7a와 같이 순수 AgNW 기반 센서를 점진적으로 증가하는 자기장에 배치하고 그에 따라 진동함에 따라 센서의 저항이 변경됩니다. 금속 재료의 자기 변형 효과로 인해 센서의 저항이 약간 변경됩니다. 자기장 세기가 0.4 T일 때 최대 저항 변화율은 0.037이며, 질량비 5:1의 AgNWs &MNs 기반 센서의 저항도 그림 7b와 같이 자기장 세기가 증가함에 따라 감소한다. MN이 없는 센서와 비교하여 자기장 변화와 함께 5:1의 질량비에서 AgNW 및 MN을 기반으로 한 센서의 저항 변화가 더 분명합니다. 자기장 강도가 0.4 T일 때 저항 변화의 최대 비율은 0.28입니다. 그림 7c, d에서 2:1 및 1:1의 질량비로 AgNW 및 MN을 기반으로 하는 센서에 동일한 적용을 하고 자기장이 증가함에 따라 저항 변화는 각각 0.14 및 0.19입니다. 5:1의 질량비에서 AgNW 및 MN을 기반으로 한 센서의 감도가 가장 높으며 자기장에 따른 연속 저항 변화가 그림 8에 나와 있습니다. 다른 비율에 따른 스트레인 센서의 매개변수 비교 MN 및 AgNW의 수가 표 1에 나와 있습니다.

서로 다른 자기장에서 저항 변화

저항과 다른 자기장 사이의 관계

자기장 센서의 감도는 24.14 Ω/T임을 계산할 수 있습니다. 결론적으로, MN과 AgNW의 질량비가 1:5일 때 변화하는 자기장에 대한 센서의 반응은 24.14 Ω/T의 감도로 가장 민감하다. 본 연구에서 얻은 플렉서블 자기장 센서는 자기장의 세기를 감지하는 데 더 응용할 수 있다. 이 응용 프로그램의 테스트 결과는 그림 1과 그림의 결과를 비교할 때 센서의 수축 과정에 해당합니다. 이것은 센서의 나노물질이 자기장에 놓였을 때 함께 움직인다는 것을 의미한다. 메커니즘 분석은 다음과 같이 자세히 선언합니다.

서로 다른 자기장 강도 동안 센서의 저항 변화를 이해하기 위해 그림 9와 같이 센서의 작동 원리를 설명하는 간단한 모델을 제안합니다. PDMS의 수많은 AgNW 및 MN은 전도성 네트워크를 형성합니다. 자기장이 없는 AgNW 및 MN에 의해 ​​형성된 전도성 경로는 그림 9a에서 빨간색 선으로 표시됩니다. MN은 자기장 아래에서 균일하게 배열되는 경향이 있으며, 이는 그림 9b에 나와 있습니다. 그러나 MN의 위치 변화를 위한 공간이 협소하여 자기장선에 따라 MN의 방향만 변한다. 더 높은 자기장 강도는 AgNW의 네트워크 제약을 극복할 수 있는 MN의 더 큰 힘을 의미합니다. MN의 이동 방향은 Ag NW가 함께 모이게 하여 전도성 경로의 수가 증가하는 이유입니다. 더 많은 전도성 경로는 더 많은 전자 이동을 의미하며, 이는 더 낮은 저항으로 이어지며, 이러한 방식으로 자기장 강도가 증가함에 따라 저항은 감소합니다.

AgNW 및 MN-PDMS 기반 연자장 센서의 개략적인 감지 모델