室温等离子体射流无掩膜板化制备柔性器件及其性能研究

发布时间：2020-05-27 20:08

【摘要】：柔性可穿戴器件正在日益丰富并改善着人们的日常生活,如柔性传感器、柔性触摸屏、柔性电池、柔性电子皮肤等。如今,无线技术、低功耗电子业、数字健康这些新兴领域的发展正飞速地推进着柔性功能器件的发展与创新。有研究表示,柔性可穿戴领域在2018年的市场份额将达到206亿美元。柔性透明导电薄膜和柔性微超级电容器是柔性电子设备中的重要组成部分,在很多领域中都被广泛应用。高质量的透明导电薄膜对电子设备实现高性能至关重要。柔性微超级电容器作为柔性电子设备中的储能部件,同样扮演着关键角色。本论文利用自主研制的室温常压脉冲等离子体射流技术,通过简便高效、成本低廉的无掩膜版化扫描处理方法,针对柔性透明导电薄膜以及柔性微超级电容器在微纳加工时所面临的新型高质量加工方法短缺的问题,实现了银纳米线柔性透明导电薄膜的微焊接、图案化,以及碳基微超级电容器的组装和高性能复合材料微超级电容器的制备。具体的内容包括以下几个方面:(1)通过无掩膜版化室温常压脉冲等离子体射流扫描的方法,简单高效地实现了银纳米线薄膜中纳米线接触点处的微焊接。电子显微镜微观研究结果显示,经等离子体处理后的银纳米线网络结构中的接触点被焊接到了一起。宏观性能研究发现,处理后的银纳米线薄膜在导电性、柔韧性上都得到了显著的增强,透光性基本保持不变。具体的,质量密度为79.6 mg m~(-2)的银纳米线薄膜在经过等离子体处理后方阻从430Ω下降到了52Ω;在经过1200个周期弯折半径为3 mm的重复弯折实验后,原始薄膜电阻增大了3倍,经过处理的薄膜只发生了微弱的变化。(2)通过无掩膜版化室温常压脉冲等离子体射流扫描的方法,简单高效地实现了银纳米线薄膜的快速图案化。等离子体处理后,被刻蚀区域内的银纳米线在微观结构上转变成一个个彼此分离的聚团。被刻蚀区域不导电,可以充当导电电极之间的良好绝缘带。刻蚀区域的微观结构虽然发生了很大变化,但其透光率仍然保持在很高的水平。通过该图案化方法可以制备出各式各样的银纳米线薄膜图案。等离子体的大部分放电参数都能影响到刻蚀所得线宽,因此图案化的线宽是可控的。基于此图案化方法所制备的高性能柔性透明导电银纳米线电极被成功地使用到了发光二极管的照明电路上。(3)通过室温常压脉冲等离子体射流无掩膜版化刻蚀技术,成功地将各种碳材料薄膜图案化,并且制备了以多壁碳纳米管为活性物质的全固态柔性微超级电容器。在表面积一样时,12个交叉指电极组成的微超级电容器的电化学性能要高于8个或4个交叉指电极,这表明通过控制交叉指电极的结构可以调节微超级电容器的功率和能量性能表现。所制得的性能最好的微超级电容器在扫速为10 mV s~(-1)时体电容为2.02 F cm~(-3)。在6000个恒电流充放电循环周期后,该微超级电容器保留了初始电容的94.1%。另外,微超级电容器也表现出了很好的柔性,在重复弯折600次后,仍然保有初始电容的98.2%。室温常压脉冲等离子体射流无掩膜版化刻蚀技术具有诸多优势,比如成本较低,易于大面积化;并且操作简便,不需要掩膜版、预处理、真空系统、高温处理、超净间等苛刻的条件。更为重要的是,该技术能用来刻蚀各种各样的碳材料,也就是对碳材料具有普适性。(4)通过室温常压脉冲等离子体射流无掩膜版化一步刻蚀技术,我们成功地将碳纳米管/银纳米线复合薄膜图案化得到交叉指状电极,并制备了以银纳米线为集流体的全固态柔性面内微超级电容器。基于等离子体射流技术的一步化图案化方法要比传统的两步法简便很多。与没有采用银纳米线集流体的微超级电容器相比,有银纳米线作为集流体的微超级电容器具有更加卓越的电化学倍率性能。另外,银纳米线集流体还为微超级电容器带来了诸多其他的电化学性能提升,包括更好的循环稳定性、更低的等效串联电阻、更短的器件响应时间、更高的能量/功率密度等。制备的微超级电容器具有良好的柔韧性,在800次重复弯折实验后,器件仍保留了94.9%的初始电容。另外,还利用等离子体射流处理技术,通过开发一种新型的基于石墨烯/碳纳米管/银纳米线复合薄膜的类3D打印技术,制备了电极厚度达到20微米的高性能交叉指状面内微超级电容器,其面积比电容达到了22 mF cm~(-2)。
【图文】：

实际应用,柔性,传感器,电阻式传感器

图 1-1 柔性传感器的一些实际应用[2]Fig. 1-1 Typical flexible sensing techniques in practical applications[2]传感阵列，尤其是电阻式传感器阵列，通常需要在晶体管等电子元器件的帮

超级电容器,柔性

超级电容器一般由两个对称或者非对称电极、液态或者固态电解质和电极间的隔离层组成。图1-2 展示了部分有关可穿戴超级电容器的工作。其中，，图（a）为以碳布为集流体在图 1-2 柔性可穿戴超级电容器[2]Fig. 1-2 Some flexible and wearable supercapacitors[2]上面涂覆活性炭涂料制得的柔性可穿戴双电层超级电容器；图（b）为以 Co9S8作为阳极材料和以 Co3O4/RuO2复合物作为阴极材料的非对称超级电容器；图（c）为以
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2;TM53

【参考文献】