近年来，人们对可佩戴在身上来监测健康状态的电子纤维和电子皮肤等新器件的期望值越来越高。而开发这些器件时高灵敏度的应变传感器是关键。利用压阻效应的传感器具有高稳定性、高耐久性、低成本等优点。特别是具有比纯金属高几十倍压阻效应的半导体材料，由于适用于微机电系统（MEMS）技术，在脉搏和心跳等极微小应变检测方面期待开发出超高灵敏度材料。
图1.由Cr₂Ge₂Te₆薄膜/聚酰亚胺基板构成的脉搏传感器（供图：日本东北大学）
京都大学的王吟丽特定助教（研究当时为东北大学研究生院工学研究科博士生）、东北大学研究生院工学研究科的须藤祐司教授（兼任AIMR）、东北大学研究生院环境科学研究科的成田史生教授等人组成的研究团队，测量了在柔性聚酰亚胺基板上成膜的非晶Cr₂Ge₂Te₆半导体（CrGT）薄膜的压阻效应，观测到了6万的极大压阻系数，并发现其灵敏度比其他半导体材料高数百倍。研究明确了该薄膜的巨大电阻变化是由应变导致的CrGT薄膜内裂纹的产生和发展引起的，通过使用该薄膜的简易应变传感器，研究团队成功检测到响应脉搏的明显电阻变化。CrGT薄膜可在具有柔软性的基板上采用一般的溅射法成膜，之后无需热处理，因此有望应用于各种柔软基板的超高灵敏度应变传感器材料。相关成果已发表在《Materials Horizons》上。
该研究以聚酰亚胺上成膜的非晶CrGT薄膜样品为对象，构筑一个了由拉伸试验机、半导体测定器、激光显微镜、拉曼光谱等构成的机电测量系统，以明确由于应变的负荷、除荷而引起非晶CrGT薄膜的电阻变化机制。结果显示，大的电阻变化的主要原因是由于拉伸应变引起的裂纹产生和变化得。另外，在聚酰亚胺的弹性变形范围内的应变区域内，随着应变负荷，CrGT薄膜内产生的裂纹会导致电阻值显著增加，但随着应变除荷，裂纹完全闭合，电阻值完全恢复到初始值。研究还发现，该薄膜在应变范围内可重复使用。
研究表明，通过利用非晶CrGT薄膜裂纹的产生和开闭机制，可以实现超越现有材料极限的巨大且可逆的电阻变化。此外，研究团队还提出了在聚酰亚胺上配置非晶CrGT薄膜的简单应变传感器，证实能够清晰地检测动脉的脉波，表明了应用于健康监测系统的可能性。
通过使用此次的薄膜，可以通过简单的器件结构实现超高灵敏度，因此该技术有望应用于健康诊断系统等的多种传感器。未来，研究团队计划在对非晶CrGT薄膜产生的裂纹进行定量评价和验证耐久性的同时，还将重点研究CrGT以外的脆性半导体薄膜的压阻效应。
原文：《科学新聞》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Materials Horizons
论文：An amorphous Cr2Ge2Te6/polyimide double-layer foil with an
extraordinarily outstanding strain sensing ability
DOI：10.1039/D4MH00616J
