西北工业大学：研究一种基于可扩展的准一维TiS3纳米带的高温柔性应变传感器

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内容概览

现有技术缺点

生长窗口窄：传统CVD对前驱体配比、温度敏感，参数调控容错率低。

形貌难控：易团聚、厚度不均，难以获得高长径比纳米带。

转移困难：传统CVD生长的纳米带与基底结合紧密，难以无损转移至柔性基底。

文章亮点

乙醇辅助CVD：通过前驱体浆料控制金属源释放，实现140μm长、10nm厚TiS3纳米带可扩展生长。

垂直排列结构：纳米带垂直基底生长，支持瞬时粘附转移，适配柔性器件。

宽温域稳定电导：室温电导率3.1×10⁴ S/m，80-593K性能稳定；柔性传感器灵敏度135.3，耐773K高温。

应用场景

柔性传感：实时监测人体运动/温度，抗形变干扰。

高温电子：航空航天部件健康监测，耐极端温度。

纳米互连：单根纳米带作导线，提升集成密度。

总结

在本研究中，作者展示了一种乙醇辅助的CVD方法，用于可扩展地生长TiS3纳米带。该方法结合乙醇与TiCl4和硫粉，形成钛源前驱体，从而实现了高产率的TiS3纳米带，其厚度低至10纳米，长度达到微米级（140±30微米，纵横比约为260）。此外，这些纳米带在基底上表现出外延垂直排列，便于灵活转移至任意目标基底。单根TiS3纳米带在80至593 K的温度范围内展现出高电导率（σ293 K = 3.1 × 10^4 S/m）。基于TiS3纳米带网络的柔性应变传感器显示出高达135.3的灵敏度因子，宽广的应变检测范围（40–7400 με），以及对高达773 K温度的强耐受性。该策略为TMTCs的合成提供了一条独特路径，为高性能柔性电子设备的发展提供了重要的材料支持。

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图文简介

图 1 TiS3 纳米带的生长与形态。(a) 合成过程的示意图。 (b) 覆盖有 TiS3 纳米带的 SiO2/Si 基底的照片。 (c,d) TiS3 纳米带的平铺视图和侧视图扫描电子显微镜 (SEM) 图像。 (e) TiS3 的晶体结构。 (f,g) 典型 TiS3 纳米带的明场、暗场光学图像及 SEM 图像。 (h) 对应于 (g) 中虚线框区域的 TiS3 纳米带的 SEM 图像。 (i,j) 对应于 (g) 中虚线框区域的 TiS3 纳米带的原子力显微镜 (AFM) 拓扑图和剖面图。比例尺： (b) 为 1 cm， (c,d,i) 为 5 µm， (f,g) 为 10 µm， (h,i) 为 1 µm。

图2 TiS3纳米棒的组成和结构分析。(a) 合成的单个TiS3纳米棒的透射电子显微镜(TEM)图像。(b) TiS3纳米棒的高角度环形暗场(HAADF)TEM图像及相应的能谱分析(EDS)。 (c–e) 分别沿[001]区轴观察的TiS3纳米棒的选区电子衍射(SAED)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)和HAADF-扫描透射电子显微镜(STEM)图像。(f,g) 分别沿[100]区轴观察的TiS3纳米棒的HRTEM图像及相应的快速傅里叶变换(FFT)图案。(h) 新鲜TiS3纳米棒及保存8个月和12个月的TiS3纳米棒的拉曼光谱。比例尺：在(a)中为100纳米，在(b)中为50纳米，在(c–g)中为5 1/nm，在(e)中为2纳米，在(d–f)中为5纳米。

图3 合成的TiS3纳米棒的瞬时粘附转移。(a,b) 利用低粘附性和高粘附性基底操控竖立的TiS3纳米棒阵列的干转移过程工作流程。(c) 转移到各种粘附基底上的TiS3样品的明场和暗场光学图像。比例尺：100 µm。

图4 转移的TiS3纳米棒的温度依赖电特性。(a) TiS3纳米棒基场效应晶体管（FET）的示意图，配有铬/金接触和相应的光学图像。比例尺：20微米。 (b) 在室温（293 K）下，TiS3 FET的输出曲线，Vgs范围为−70至70 V。 (c) 在Vds = 0.5 V下，TiS3 FET的转移特性。 (d) 从80 K到593 K的TiS3纳米棒的温度依赖输出曲线，Vgs = 0 V。 (e) 在Vds = 0.5 V下，TiS3纳米棒的温度依赖转移曲线。 (f) 从(e)中提取的TiS3纳米棒的电流-温度曲线。插图显示在Vgs = 0 V下，随温度变化的导电性变化。

图5 TiS3纳米条柔性应变传感器的电机械行为（弯曲测试频率：0.19 Hz）。(a) TiS3纳米条柔性传感器及其双向弯曲机制的示意图。(b) 在室温下，基于PI胶带基底制造的TiS3柔性应变传感器在向后弯曲时的电响应。插图显示了传感器在250 με应变水平下的响应。(c) 与(b)对应的应变依赖传感响应和增益因子(GF)。(d,e) 向前弯曲响应及其应变依赖特性。(f) 在293至773 K温度范围内，基于云母基底制造的应变传感器在向后弯曲时的归一化电阻。应变范围为40至365 με。(g,h) 分别与(f)对应的应变依赖传感响应和增益因子(GF)。

审核编辑 黄宇