石墨烯材料在柔性光纤传感器中的应用

1 石墨烯材料的产生与发展背景

2004 年英国曼彻斯特大学（University of Manchester）的两位物理学家 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov，成功从石墨中分离出石墨烯，并且在 2019 年从单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，并因此获得了 2010 年获得诺贝尔物理学奖。石墨烯（Graphene）这种材料是碳的同素异形体，在材料中的碳原子是以 sp²杂化键合形成单层六边形或双层蜂窝晶格石墨烯。可以采用石墨烯这样的晶体结构来构建富勒烯 （C₆₀） 、碳纳米管、石墨烯量子点、纳米带和纳米角。可以将堆叠在一起的石墨烯层（大于 10 层）来形成石墨结构，层与之间通过范德华力保持在一起，晶面间距 0.335nm。石墨烯材料具有优异的物理光学、电学、力学特性，它在微纳加工、能源学、材料学、药物传递和生物医学等方面具有重要的应用前景，曾经被认为是一种在未来的革命性材料[1-2]。

石墨烯材料的制备方法与工艺目前主要有机械剥离法、化学气相沉积法（Chemical vapor deposition，CVD）、电弧放电法、外延生长法、液相剥离法、还原氧化石墨烯法和激光诱导法（Laser Induced Graphene，LIG）。激光诱导石墨烯法是一种新发明的石墨烯制备工艺，主要是通过激光光热反应从而导致晶格振动会出现局部高温，使 C、N、O 原子之间的化学键发生断裂与重组，sp3碳原子杂化转化为 sp2碳原子杂化，N、O 原子重组后生成气体逸出，形成多孔的激光诱导石墨烯 LIG。以下图 1、图 2 为采用激光诱导法制备的石墨烯结构。

2 柔性光纤传感器的理论和发展现状

2.1 光纤传感器的工作原理

光纤传感器的工作原理是首先将激光光源要入射进光纤的光射入进调制器，然后在调制器内与外界被测参数的产生相互作用，得到的光学性质像光强度、光波长、光频率、光相位、光偏振态会发生变化，从而成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后就能获得被测参数。在整个过程中，光束经由光纤导入，通过调制器后射出，在其中光纤的作用先是传输光，其次是起光调制器作用。光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。现阶段光纤传感器在向着灵敏性高、适应性强、精确度高、小巧和智能化的方向前进发展。

2.2 柔性光纤传感器的种类

现阶段目前柔性传 性电感式传感器、柔性压阻式传感器、柔性光 制后转变为光信号进行测量。 号检测，如核辐射区、高温区等， 形状可塑性强等优点，因此将 信等领域。有研究人员利 入纺织品中不会破坏 合而成的高度可伸 和高重复性等优点。 而它的成本无法下降，使其止步 高昂的实验产品，而不能得到广泛应用

2.3 柔性光纤传感器的发展与状态

随着软体机器人和新材料技术的不断发展，柔性传感器被科学家们广泛研发和使用，并且开始逐渐走入大众的生活。相比于传统的“硬质”传感器，柔性传感器“生来”柔软轻便，特别适合于可穿戴设备，具体来说，在医疗康复，运动指导，以及VR、AR 游戏等领域都有很大的应用前景。一个典型的例子就是科幻电影“头号玩家”中主角在进入虚拟世界时穿着的具有“动作捕捉”功能的贴身游戏服装。弹性光纤传感器具有易于加工，低迟滞，高精度等特点。美国康奈尔大学有机体机器人实验室（Organic Robotics Lab）的 Robert F. Shepherd 教授于 2016 年在 Science Robotics 提出的弹性光纤传感器利用光路在传播过程中的损耗来用于检测弹性体变形，其中内层使用高折射率的材料，外层使用低折射率的材料，在光纤的一侧装配 LED，另一侧装配光电二极管。通过检测输出光信号的强度变化，来用于检测拉伸，弯曲和压缩等形变程度。研究者还设计了一种极具弹性的“多模式传感光导纤维，简称SLIMS”[4]。相比上一代的单根内芯传感器，它只需要一根，通过对于颜色信息进行分析解耦，就实现了传感器上不同位置的形变检测，以及可以同时检测出传感器拉伸和受压情况，大幅度地提升了弹性光纤传感器的性能，新型光纤包含了两根聚氨酯弹性内芯，一根为透明，另一根在多个不同的位置进行染色（红，绿，蓝）。每一个内芯的一侧和 LED 相连，另一侧和 RGB 颜色传感器相连（检测弹性光路的形变）。当染色区域发生形变时，输出的白色 LED光会相应的变为对应变形区域的颜色。由于 SLIMS 光纤传感器富有弹性，它们可以用于制造智能服装、可穿戴设备和软体机器人。研究团队希望将 SLIMS 传感器应用于体育和医疗领域，具体来说，他们打算在明年使用这些可拉伸的光纤测量呼吸和肌肉收缩，或者是用于检测运动员在运动过程中的姿态是否标准等[5]。

3 石墨烯材料在光纤传感器中的应用

3.1 石墨烯的功能化材料在光纤传感器中的应用

目前石墨烯材料应用于光纤传感器技术中主要是可以实现对物理量参数、气体参数和生化参数的测量，其大多数的原理是利用石墨烯与光纤倏逝波相互作用进行传感。基于石墨烯材料的热光效应，当温度发生变化时，石墨烯材料的导热系数会相应发生变化，从而材料折射率发生变化，可得到温度与折射率之前的传感关系。实现对电流参数传感的方法是利用磁光效应，从而形成基于石墨烯材料的光纤电流传感器。基于石墨烯材料的光纤气体传感器可使对气体的灵敏度显著提高，其传感机理是石墨烯材料吸附气体分子，使其电导率发生改变，从而对折射率产生调制作用。此外由于石墨烯材料的光纤器件能够吸附液相环境中的重金属离子和有机分子从而可实现形成生化传感器件。利用石墨烯材料表面的等离子特性，可制备出光纤表面等离子体共振（SPR）和光子晶体光纤SPR 器件，从而也可实现生化传感器的性能 。柔性传感器的类型通常要求器件具有灵活性、可拉伸性、轻量级、无毒性和出色的器件性能。石墨烯是一种二维层状材料，具有非常独特的结构特性和电、光、热特性。这些特性使得石墨烯可被用于柔性电子设备、薄膜涂层和其他领域。

3.2 石墨烯材料在皮肤传感器中的应用

石墨烯材料在皮肤传感器中的应 在其高灵敏度、快速响应、柔韧性和自供电特性上。石墨烯凭借其独特的纳米结构和导电特性，赋予传感器极高的灵 响应能力。例如，石墨烯传感器可以实时采集压力、形变及温度数据，频率可达每秒数千次，模拟人类皮肤的多维触觉反馈。在机器人抓握鸡蛋等精密操作中，石墨烯传感器能精确感知接触力分布，避免因压力过载导致物体损坏，同时辨识材质差异，提升操作适应性。

此外，石墨烯传感器还具有高柔韧性 用场景下的弯曲、扭曲和拉伸等变形需求。这种特性使得石墨烯传感器在贴附于 也不会影响其性能和结构完整性。例如，石墨烯传感器可以用于制作高度敏感 皮肤和 穿戴健 传感器 传感器能够感知到极其细微的压力变化、温度变化以及生物分子的存在等。

3.3 石墨烯材料在穿戴传感器中的应用

石墨烯材料具有良好的导电性，力学特性和生物相容性因此可选作柔性可穿戴传感器的材料，激光诱导石墨烯具有传统制备工艺没有的优势如单步原制备、无需掩膜、低成本、高效等特点，可适用于制备柔性可穿戴传感器。[7-9]石墨烯材料的稳定性、导电性和鲁棒性等优异特点，可将其应用于柔性可穿戴传感器中的导电传感或电极材料，在柔性生物传感器、柔性应变传感器、柔性化学传感器中都有应用。生物传感器是指对生物物质敏感并且把浓度参数转换成电信号的传感器，常见的检测物质有多巴胺、血糖、抗体等。柔性生物传感器能够对人体进行健康监测和运动康复，并提供连续、实时的信号采集[10-11]。柔性应变传感器可用于检测声音、脉、及其他能够引起应变材料电阻变化的信号，可用于人体的运动康复和健康监测等。柔性化学传感器可用于湿度温度检测、气体检测和水质监测等。Stanford 等[12]在聚酰亚胺（Polyimide，PI） 表面生成LIG（Laser-Induced Graphene，）并制备了检测热导率的气体传感器，这样可以检测气体混合物的成分，能够识别的气体有 NO2、H2、CO2等可以用于监测CO2与其他气体的成分比例。

3.4 石墨烯材料在生物光纤传感器中的应用

石墨烯材料在生物传感器中的应用主要体现在其优异的电子、光学和机械性质，使其成为构建高灵敏度生物传感器的理想材料。通过水热法合成的石墨烯-金纳米复合材料被用于生物传感器中，该复合材料具有良好的导电性和大的比表面积，能够高效地催化生物分子反应，提高传感器的灵敏度和选择性。基于石墨烯的柔性应变传感器因其高灵敏度和宽传感范围，在人体运动检测和健康监测系统中得到广泛应用。石墨烯的独特单原子结构使其易于变形，提供良好的灵活性。石墨烯由于其优异的电子传递能力和可多重修饰的化学性质，能够实现准确且高选择性的生物分子检测。石墨烯基复合材料可以提高传统传感器的灵敏度和灵活性，缩短反应时间。此外，石墨烯的二维结构和优异的导电性能使其在生物传感器中表现出色，能够快速传递电子信号，提高检测的准确性和可靠性。

3.5 石墨烯材料在柔性显示屏中的应用

在消费电子展览上可弯曲屏幕备受关注，它可成为移动设备显示屏。柔性显示未来市场广阔，作为基础材料的石墨烯前景也被关注。韩国研究人员制造出了由多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏。韩国均馆大学和三星公司成的研究人员在一个 63cm 宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上，制造出了一块电视机大小的纯石墨烯。这是近阶段来讲尺寸很大的石墨烯块。然后他们用这个石墨烯块制造出了一块柔性触摸屏。研究人员表示还可以卷起智能手机，然后像铅笔一样将其放在耳朵后。[13]

3.6 石墨烯薄膜在柔性电子器件的应用

石墨烯在柔性电 高透明性和优异的柔韧性。首先，石墨烯 高的开关速度和更低的功耗，这对于 器件中表现出色，可以应用于可穿 墨烯的高透明性和优良导电性使其成为 墨烯基透明导电膜可以用于制造更 中具有独特的优势。柔性石墨烯电子器件 求。例如，石墨烯基可穿戴设备可以实现更灵活、更舒适的穿戴体验， 以提供更丰富的视觉体验

3.7 结论与未来研究趋势

尽管石墨烯在传感器中的应用前景广阔，但其大规模生产和应用仍面临诸多挑战，如如何获得高质量的石墨烯薄膜、如何根据应用选择合适的石墨烯基材料等。随着对传感器精度、可靠性、耐久性要求的提高，新型石墨烯传感器的发展在未来仍需克服技术障碍。

4 结束语

5.1 面临的技术难题

石墨烯在传感器中的应用面临的主要问题包括材料制备、生产工艺、质量控制和定制化需求等。石墨烯柔性传感器在实际应用中存在一些问题。比如稳定性问题，在长时间使用后容易出现失效现象；可制备性问题，制备石墨烯柔性传感器需要高精密度设备，制备成本较高；可重复性问题，制备成品无法保证质量的一致性等。

5.2 进一步的发展前景

针对石墨烯柔性传感器存在的问 以从多个 面 行解决。 首先 ，提高石墨烯的质量和制备工艺技术，以保证其性能的一致性和稳定性，从而提高 间使用的能力 其次， 采用新的材料合成方案，增加传感器的灵敏度和稳定性。最后，也需要进一步拓展石墨烯柔性传感器的应用领域， 以提高其产业化的可能性。总之，石墨烯柔性传感器在未来依然有着广泛的应用前景，但也需要我们不断探索和创新，克服存在的问题，并为其产业化提供更坚实的基础。

参考文献

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[12]钟勉，邹瑶，李世琛等，激光诱导石墨烯柔性可穿戴传感器的研究进展，电子元

[13]曹宇臣，郭鸣明.石墨烯材料及其应用[J].石油化工，2016，45（10）：1149-1159

本项目由 2023 年度商学院校级科研项目工学类一般项目《基于石墨烯材料的柔性光纤传感器的研究》资金支持（编号是 2023XJYB33）。