近年來，人們對可佩戴在身上來監測健康狀態的電子纖維和電子皮膚等新器件的目標值越來越高。而開發這些器件時高靈敏度的應變感測器是關鍵。利用壓阻效應的感測器具有高穩定性、高耐久性、低成本等優點。特別是具有比純金屬高几十倍壓阻效應的半導體材料，由於適用於微機電系統（MEMS）技術，在脈搏和心跳等極微小應變檢測方面期待開發出超高靈敏度材料。
圖1.由Cr₂Ge₂Te₆薄膜/聚醯亞胺基底層構成的脈搏感測器（供圖：日本東北大學）
京都大學的王吟麗特定助教（研究當時爲東北大學研究生院工學研究科博士生）、東北大學研究生院工學研究科的須藤祐司教授（兼任AIMR）、東北大學研究生院環境科學研究科的成田史生教授等人組成的研究團隊，測量了在柔性聚醯亞胺基底層上成膜的非晶Cr₂Ge₂Te₆半導體（CrGT）薄膜的壓阻效應，觀測到了6萬的極大壓阻係數，並發現其靈敏度比其他半導體材料高數百倍。研究明確了該薄膜的巨大電阻變化是由應變導致的CrGT薄膜内裂紋的產生和隊形變換引起的，透過使用該薄膜的簡易應變感測器，研究團隊成功檢測到響應脈搏的明顯電阻變化。CrGT薄膜可在具有柔軟性的基底層上採用一般的濺射法成膜，之後無需熱處理，因此有望應用於各種柔軟基底層的超高靈敏度應變感測器材料。相關成果已發表在《Materials Horizons》上。
該研究以聚醯亞胺上成膜的非晶CrGT薄膜樣品爲物件，構築一個了由拉伸試驗機、半導體測定器、雷射顯微鏡、拉曼光譜等構成的機電測量系統，以明確由於應變的負荷、除荷而引起非晶CrGT薄膜的電阻變化機制。結果顯示，大的電阻變化的主要原因是由於拉伸應變引起的裂紋產生和變化得。另外，在聚醯亞胺的彈性變形範圍内的應變區域内，隨着應變負荷，CrGT薄膜内產生的裂紋會導致電阻值顯著增加，但隨着應變除荷，裂紋完全閉合，電阻值完全恢復到初始值。研究還發現，該薄膜在應變範圍内可重複使用。
研究表明，透過利用非晶CrGT薄膜裂紋的產生和開閉機制，可以實施超越現有材料極限的巨大且可逆的電阻變化。此外，研究團隊還提出了在聚醯亞胺上配置非晶CrGT薄膜的簡單應變感測器，證實能夠清晰地檢測動脈的脈波，表明了應用於健康監測系統的可能性。
透過使用此次的薄膜，可以透過簡單的器件結構實施超高靈敏度，因此該技術有望應用於健康診斷系統等的多種感測器。未來，研究團隊計劃在對非晶CrGT薄膜產生的裂紋進行定量評價和驗證耐久性的同時，還將重點研究CrGT以外的脆性半導體薄膜的壓阻效應。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Materials Horizons
論文：An amorphous Cr2Ge2Te6/polyimide double-layer foil with an
extraordinarily outstanding strain sensing ability
DOI：10.1039/D4MH00616J
