当前位置：

飞纳电镜助力可降解磁阻传感器研究｜全自动扫描电镜赋能绿色电子器件创新

2026-06-25

随着物联网（IoT）、智能包装和可穿戴电子设备的快速发展，电子产品的数量正在呈指数级增长。然而，在享受技术便利的同时，电子废弃物带来的环境问题也日益严峻。

近期，发表于《Nature Communications》的一项研究提出了一种全新的解决方案——可生物降解磁阻传感器（Biodegradable Magnetoresistive Sensor）。研究团队利用天然来源材料和绿色印刷工艺，成功开发出兼具高性能、生物相容性、可回收性和可降解性的磁阻传感器，为未来一次性电子器件和绿色物联网应用提供了新的发展方向。

在这项研究中，Phenom XL 大仓室自动化扫描电镜参与了关键的微观结构表征工作，为材料结构设计与性能优化提供了重要依据。

01 [ 原文链接 ]

https://doi.org/10.1038/s41467-026-71077-9

02 [ 使用飞纳电镜型号 ]

Phenom XL 大仓室自动化扫描电镜

01.面向可持续发展的新型磁阻传感器

磁阻传感器广泛应用于消费电子、汽车电子、工业自动化和医疗设备等领域，但传统磁阻器件通常依赖高真空薄膜沉积工艺以及钴、镍等材料，不仅制造过程能耗较高，废弃后也难以实现绿色处理。

针对这一挑战，研究团队希望构建一种兼具环境友好性、规模化制造能力和高性能检测能力的新型磁阻传感器体系。为此，研究人员从材料设计、制造工艺到最终回收处理全流程出发，将绿色电子学理念融入整个器件生命周期，实现了性能与可持续发展的兼顾。

02.创新设计：Fe/Fe₃O₄ 核壳结构磁阻材料

研究人员设计了一种特殊的 Fe/Fe₃O₄ 核壳微颗粒：

金属 Fe 核作为导电通道和磁通增强单元；
Fe₃O₄ 外壳负责磁阻响应；
羧甲基纤维素（NaCMC）作为天然高分子粘结剂；
水作为唯一溶剂,构建出完全绿色的功能墨水体系

利用成熟的丝网印刷工艺，研究人员成功在纸基材料上批量制备传感器阵列，并实现了 A4 尺寸范围内的规模化打印。这种制造方式不仅避免了传统电子器件生产过程中常见的有机溶剂和高能耗工艺，也为未来低成本、大规模生产提供了可能。

｜绿色磁阻传感器设计与制备流程

03.扫描电镜验证核壳结构成功构建

对于功能材料而言，设计是否真正转化为实际结构至关重要。

研究团队首先利用扫描电镜观察热氧化后颗粒的形貌与尺寸分布，以确认：

Fe 颗粒是否均匀氧化；
核壳结构是否形成；
颗粒尺寸是否符合设计要求；
颗粒之间是否形成有效导电网络。

论文方法部分明确指出，不同粒径 Fe/Fe₃O₄ 颗粒的尺寸统计和结构分析均通过 SEM 完成。扫描电镜提供的形貌信息不仅验证了核壳结构设计的可行性，也为后续磁阻性能分析奠定了基础。

对于此类涉及大量颗粒样品的研究，Phenom XL 大仓室设计和自动化分析能力能够显著提高观察效率，帮助研究人员快速获取可靠的统计结果。

04.微观结构优化带来显著性能提升

研究发现，磁阻性能并非简单取决于材料组成，而与 Fe₃O₄ 壳层厚度、晶体质量以及颗粒间界面结构密切相关。

通过控制热氧化温度，研究团队获得了不同厚度的 Fe₃O₄ 壳层。结果显示：当氧化温度达到约 235℃ 时，形成的 Fe₃O₄ 壳层具有最佳晶体质量和最少晶界缺陷，从而获得最高磁阻性能。

最终实现：

磁阻比提升至约 −3.1%
灵敏度达到 3.93 T⁻¹

相比传统 Fe 薄膜提升约 27.5 倍。

｜Fe/Fe₃O₄ 核壳结构 TEM 图

05.扫描电镜揭示颗粒尺寸与灵敏度的关系

研究的另一项重要发现是：颗粒尺寸会直接影响磁场聚集能力。为了验证这一机制，研究人员制备了：

90 nm
3 μm
15 μm

三种不同尺寸的 Fe/Fe₃O₄ 核壳颗粒，并利用扫描电镜进行形貌观察和尺寸统计。

SEM 图像显示，随着 Fe 核尺寸增大，颗粒对磁通量的聚集能力明显增强，从而提高局部磁场强度和低磁场条件下的检测灵敏度。当颗粒尺寸从纳米级增大到微米级时，传感器响应显著提升，而尺寸进一步增加后性能趋于饱和。

扫描电镜获得的颗粒尺寸数据，为研究人员建立颗粒结构与磁场增强效应之间的关联提供了关键证据。

Phenom XL 获取的不同尺寸颗粒扫描电镜图

06.从实验室研究走向实际应用

除了优异的磁阻性能之外，该研究最大的亮点在于其完整的绿色生命周期设计。传感器在使用结束后可直接浸入水中分解，释放出的 Fe/Fe₃O₄ 颗粒能够通过磁场回收，实现资源循环利用。同时，细胞培养实验表明，该材料体系具有良好的生物相容性，细胞存活率始终保持在 95% 以上。这使得传感器不仅能够应用于智能包装和食品监测，还具备向可穿戴设备、生物电子学甚至植入式医疗器件拓展的潜力。