英國曼徹斯特大學(University of Manchester)的研究人員將石墨烯感測器嵌入於無線射頻辨識(RFID)裝置中,以實現免用電池的無線智慧濕度監測器。這項研究的目標是實現物聯網(IoT)在製造業、食品安全、醫療保健以及像核廢料處理等敏感操作環境的應用。

研究人員在發表於《科學報告》(Scientific Reports)的論文中描述了他們的研究。透過將石墨烯氧化物(GO,石墨烯的衍生物)分層到石墨烯上以創建軟性的異質結構,該團隊開發了用於遠端監控的濕度感測器,並能夠連接到任何無線網路。該實驗裝置不需要電池供電,因為它能從接收器採集電力。據研究人員介紹,這些感測器可以逐層列印,以極低的成本實現大規模量產。

研究小組負責人Zhirun Hu預測,這項研究將致使「這一技術在未來與其他2D材料整合的可能性,從而開創無線感測應用的新局面」。

根據這篇論文,這項研究還涉及在GHz頻率的各種濕度條件下測量GO的相對介電常數。研究人員發現,相對介電常數隨著吸水量的增加而增加。在 GHz頻率環境下的實驗結果,不同於幾MHz或更低頻率環境下的結果,在低頻環境下,相對介電常數隨著濕度的降低而增加。

研究人員利用石墨烯氧化物的這種電性能,透過在石墨烯天線上塗覆GO層來製作無電池無線的RFID濕度感測器。GO/石墨烯天線的諧振頻率以及反向散射相位對周圍濕度變得特別敏感,並且可以由RFID讀取器檢測到具體數值。因此,該結構允許將數位辨識元件放置在任何位置或物品上實現無線濕度監測,並為物聯網應用的低成本高效率感測器鋪路。

20180111_Graphene_NT01P1 感測器可以逐層列印,以低成本實現大規模量產;該技術適用於一系列2D材料 (來源:University of Manchester)

石墨烯於2004年在曼徹斯特大學被發現,是第一個被分離出的2D材料。它比鋼更堅固,重量更輕、更軟,導電性也比銅好。自從石墨烯被發現以後,陸續有其他一些2D材料被鑒定出來,而且這一串名單還在繼續增加中。科學家們透過將2D材料按照精確選擇的順序分層,以創建范德華(van der Waals)異質結構,發現他們可以製造出針對特定用途的高性能結構。

負責協調濕度感測器專案的曼徹斯特大學教授Konstantin Novoselov於2010年榮獲諾貝爾物理學獎,他稱該專案是「可印刷技術的第一個例子,能讓幾種2D材料彙集在一起,創造出適合工業應用的功能元件。物聯網是一個快速成長的技術領域,我相信2D材料將在這裡發揮重要作用。」

編譯:Luffy Liu

(參考原文:Graphene Research Targets Wireless Sensors for IoT,by Nitin Dahad)