双掺杂全石墨烯纤维，实现灵活高性能的热电温度感测

摘要

高性能温度传感器是新兴物联网和生物医学电子平台的关键组成部分。然而，同时实现高灵敏度、机械合规性和用户定义的可整合性仍是材料和器件的巨大挑战。本文报道了一种连续石墨烯纤维（GF）热电偶技术，即在单一连续纤维上原位生成多个p–n热电偶，同时保持其结构完整性。通过定期调制聚乙烯胺（PEI）和FeCl的表面电荷转移掺杂3我们构建了一个由十对p–n组成的阵列，实现了452.32 μV K的卓越热电偶灵敏度?1.该装置在5毫米半径内经过1万次弯曲循环后，仍保持了~97.8%的初始灵敏度，证明了在反复机械变形下依然坚固耐用。当传感器部署在皮肤上时，能够追踪动态体温变化，测量误差为0.64%，验证了其在实时、非侵入性健康监测方面的实用价值。这些结果确立了全碳GF热电偶作为下一代可穿戴电子设备和个性化医疗系统的高精度且机械适应性强的温度传感平台。

图文速览

全石墨烯p-n热电偶通过区域特定掺杂制造工艺的示意图。GO溶液先用维生素C制备，随后进行超声波处理并精确注入管状模具中。经过热还原后，GF下层反渗透并选择性浸没于FeCl中3实现p型掺杂，而相邻区域则掺杂p-n型，形成空间分离p-n热电偶的GF复合

a–c 原始GF、4h-PEI-GF和10h-PEI-GF的表面形态演化。d–f 原始GF中的形态变化，9h-FeCl3-无麸质，以及15h-FeCl3-女友。g、h拉曼光谱显示D和G波段。我 我D/IG显示缺陷随掺杂时间演变的比率

这是PEI-GF的XPS巡天光谱。b–e 高分辨率N1s光谱，显示吡啶、吡红和石墨氮成分。FeCl的f巡天光谱3-女友揭示Fe的合成。g、j、p-PEI浸润GF和i、lFeCl的SEM和STEM-EDS图像3——渗透了女友。SEM图像显示轴向（g）和径向横截面（h， i）形态

a， b 输出电压及PEI-GF和FeCl的西贝克系数3-无麸质热电偶。c 长度无关热电偶灵敏度。d p–n 对数的线性可扩展性

a–c、e、f、h 原始石墨烯薄膜（GF）、聚乙烯甲胺官能化石墨烯（PEI-GF）、氯化铁官能化石墨烯（FeCl）的原子结构模型3-GF），以及PEI/FeCl3- GF p-n 异质结，其中棕色、粉色、蓝色、绿色和橙色球体分别代表碳、氢、氮、氯和铁原子。d， g Bader电荷分析定量揭示掺杂剂与石墨烯之间的电荷转移效率及其浓度依赖性

这是面罩内表面热电偶的示意图。b 从连续呼吸周期（第3至7周期）中提取的反应和恢复时间，采用10–90%阈值标准。插入：周期性呼吸时产生的热电电压信号。c， e 分别用于人体手掌和前臂温度检测的10对热电偶红外热成像。d， f 当传感器分别放置在手掌和前臂时产生循环输出电压

总结与展望

总之，我们通过周期性地对单个石墨烯纤维进行PEI和FeCl的表面电荷传递掺杂，制造出高性能全碳柔性热电材料和器件3生成交替的P型和N型段的解决方案。系统性调制掺杂持续时间使得定量阐明含氮和含铁物质对纤维微结构、表面形态和热电性能的影响。基于此，PEI-GF/FeCl3GF柔性热电偶温度传感器被构建并全面表征，包括热电偶灵敏度、弯曲鲁棒性、重复性和长期稳定性。该装置的热电偶灵敏度为452.32 μV K?1，体温测量误差低至0.64%，同时保持了优异的机械灵活性和可扩展性。实时呼吸和皮肤温度监测能力经过实验验证。这些结果确立了全碳石墨烯纤维作为高性能柔性热电器件的有力候选，并为可穿戴、自供电和高精度个人健康监测系统开辟了新途径。

信息来源：柔性电子与能源

2026中国国际石墨烯创新大会

11月13-15日 中国·温州

“2026年中国国际石墨烯创新大会”将由石墨烯产业技术创新战略联盟（CGIA）和正泰集团联合主办，将于2026年11月13-15日在温州市（乐清）举办。大会聚焦石墨烯应用市场，着力促进石墨烯创新成果与产业端的深度对接合作，推动石墨烯产业迈向高质量发展新阶段。2026中国国际石墨烯材料应用博览会将同期举办。

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