宏观尺度纳米线组装体的制备与柔性器件构筑研究

发布时间：2020-05-09 19:44

【摘要】：随着现代社会对于新材料和新科技的不断需求,以往那些普通的常规电子器件已经越来越难以满足人们生活的需要,因此可穿戴的便携性柔性电子器件开始进入了人们的视野。在过去几十年里,拥有良好的性能表现以及灵活的力学响应的柔性电子器件,已经吸引了人们的普遍关注并渐渐成为下一代电子器件的代表之一,同时这种趋势己经在多个科技领域内日益扩大,例如柔性晶体管、智能探测器、柔性发光二极管(LED)、柔性能量存储器件以及柔性能量收集器等。但是对于各种纳米材料的应用来说,如何将游离分散的纳米材料彼此结合组装到一起,从而构筑得到可以实际使用的器件,一直都是一个十分重要并且急需解决的难题。而这一点,对于可穿戴的柔性电子器件的制备工艺来说尤为重要。如何在不牺牲材料自身性能的前提下,将游离无序的纳米材料巧妙地组装统合到一起,并最终构筑得到实用、便携、稳定的柔性电子器件,就是这一领域目前一个富有挑战性的研究课题。本论文将应用本实验室已经发展成熟的各种金属无机纳米线以及半导体纳米材料的合成方法与制备技术,创新性地将这些传统的无机纳米材料与商业购买得到的廉价的尼龙网纱织物结合起来,在尽量保留那些无机纳米材料的固有本征特性的同时,赋予了它们在柔性电子器件领域的崭新应用。除此之外,还深入研究了当今社会中亟待解决的空气污染问题,将制备得到的柔性透明导电网纱引入与雾霾治理相结合,开发了一种兼备高效、快速、可循环重复使用的智能纱窗材料,成功地将雾霾颗粒阻隔在窗口之外。此外,还将传统的SERS材料与尼龙网纱进行结合,制备出了超大面积的高灵敏度的SERS基底,并展示了该SERS基底所拥有的抗机械弯曲性以及优秀的耐高温和耐酸碱腐蚀性。本论文取得的主要研究成果如下:1.采用一种简单的浸渍组装工艺,成功实现银纳米线与商业化尼龙网纱的共组装,制备了超大面积的柔性透明导电网纱。该材料不仅具备了优异的导电性和光学透射率,同时还有很好的抗机械弯曲性,经历高达10,000次的力学疲劳测试后也依然保持着良好的导电性。在负离子发生器的辅助下,创新性地将制备得到的柔性透明导电网纱应用于雾霾治理,取得了很好的效果,不仅具有高达99.65%的雾霾吸附效率,同时经过简单的清洗之后可反复循环使用。此外,若在其表面再包覆一层热致变色染料,还能够起到调节室内光照强弱的作用,为下一代柔性透明智能窗口的设计提供了新的思路。2.以本实验室合成制备的碲纳米线为模板,以商业化尼龙网纱为骨架,将传统的浸渍组装工艺与模板化学反应结合起来,成功制备一种具备超高灵敏度的超大面积SERS柔性透明基底。通过控制反应时的原料浓度和反应时间,可以精确调控生成金纳米颗粒的直径和数量,从而调控最后得到的SERS柔性透明基底的拉曼信号增强性能。制备得到的碲-金-尼龙SERS基底不仅拥有最低至10-14 M的探测极限,还具有很好的机械稳定性,同时也可以抵抗一定程度的高温、强酸以及强碱的侵蚀。3.将本实验的碲化物半导体材料的合成进行了拓展,成功合成了形貌和尺寸均一的HgTe正四面体颗粒。采用LB组装技术,可以将HgTe颗粒组装成平滑的半导体薄膜。展示了HgTe对于红外辐射光的选择性光电响应性质,深入研究其在红外探测领域应用的可行性,并尝试制备出有实用价值的温敏传感器。
【图文】：

银纳米线,有机聚合物,纤维

这项工作的成果十分突出。这种性能优秀的均一导电纤维同时具备了最逡逑好的导电率（２４５０邋Ｓ－ｃｎＴ１）以及最高的延展性（９００％）邋实际制备过程总共逡逑包含两步（图１．Ｉｄ和ｌ．ｌｅ），第一步利用湿法纺丝技术将银纳米线同ＳＢＳ纤维结逡逑合起来，第二步则是将银纳米颗粒的前驱体均匀地包覆在银纳米线－ＳＢＳ的混合逡逑纤维表面，接下来再将纤维表面的前驱体利用氧化还原反应，转为需要的银纳米逡逑颗粒。逡逑因此，基于静电纺丝技术，将各种纳米材料在一维有机聚合物纤维的表面进逡逑行定向排列从而构筑得到宏观尺度可见的柔性材料是一种十分重要的组装策略，逡逑通过该方法得到的柔性电子器件由于具有许多新奇有趣的特殊性质，将会在许多逡逑研宄领域之中获得重要应用。逡逑１．２．２模板辅助生长技术逡逑由Ｍａｒｔｉｎ教授Ｍｌ提出的模板辅助生长组装技术被普遍认为是一项十分切实、逡逑可靠、有效的技术，用于合成制备金属、半导体以及有机聚合物纳米线，并且它逡逑们的直径和长度一般也可以进行调控。和通常的自组装技术进行对比可以发现，逡逑利用模板进行诱导生长的组装技术在材料结构的形成方面提供了一种均匀的外逡逑部调控

纤维传感器,性能测试,工艺,压阻

的微结构；（ｅ）导电纤维的ＳＥＭ和光学图像；（ｆ）具有超微小力检测能力的压阻式纤维，逡逑不仅对重复加载／卸载循环具有出色的稳定性，还具有快速响应和松弛等特性。逡逑图１．３ｆ中展示了超低压力检测限以及对压阻纤维的微小力的响应，通过在压逡逑阻纤维上放置１０邋ｍｇ玻璃块（尺寸为２邋ｍｍＸ２０邋ｍｍＸ邋１邋ｍｍ），，表明了其电阻迅逡逑速下降了邋０．２％。压阻纤维对反复不断的加载／卸载循环的响应，同样揭示了压阻逡逑纤维对压力响应的稳定性，即使在经过４０００次的加载／卸载循环后，也只是观察逡逑到其电阻仅仅增加了邋０．５％邋（图Ｌ３ｆ），这表明了我们的压阻纤维能够抵抗很多力逡逑学疲劳循环测试。由双层平面或者皱褶纤维构成的压阻纤维，其所显示的响应时逡逑间分别为８５／３５邋ｍｓ，其对应的弛豫时间则分别为６０／１５邋ｍｓ，然后它们将会分别以逡逑１．８邋ｓ邋／邋０．５５邋ｓ的速度迅速恢复到初始状态，这表明了纤维表面上的褶皱微结构将逡逑会为压阻式导电纤维提供更加快速的响应和松弛性能。而表面具有褶皱微结构的逡逑压阻纤维具有更快的响应速度以及更短的恢复时间
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1

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