柔性功能器件用碳基膜材可控改性研究.pdf

1、隨著柔性電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，柔性電子器件在信息、能源、醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域的重要作用越來(lái)越突顯。然而，由于傳統(tǒng)加工技術(shù)如三束（電子、離子和激光）、LIGA（光刻、電鑄和注塑）加工等技術(shù)存在低產(chǎn)高耗瓶頸問(wèn)題，同時(shí)聚合物襯底因熱穩(wěn)定性差而難以匹配如集成電路等制造工藝，結(jié)合現(xiàn)有的微納加工理論基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)出可以實(shí)現(xiàn)柔性器件簡(jiǎn)單高效、低成本、高精度制作的技術(shù)至關(guān)重要。與此同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)柔性電子器件的廣泛應(yīng)用，其供能部件的柔性化與高性能化設(shè)計(jì)也非常關(guān)鍵。本

2、論文針對(duì)碳基膜材在柔性器件應(yīng)用時(shí)所面臨的功能化問(wèn)題，依托于大氣壓等離子體射流和電化學(xué)處理技術(shù)，借助于拉曼光譜（Raman）、紅外光譜（FT-IR）、X射線能譜（XPS）、掃面電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等分析手段，開(kāi)展了單層石墨烯微區(qū)摻雜、聚苯胺納米纖維焊接互連、碳纖維布可控氧化改性的系統(tǒng)研究。具體內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　大氣壓低溫等離子體射流技術(shù)在膜材表面選區(qū)改性方面優(yōu)勢(shì)明顯，接近室溫的處理?xiàng)l件特別適合于溫

3、敏基材的薄膜表面可控改性。因此我們自主研制了一套基于大氣壓冷等離子體射流技術(shù)的膜材可控改性系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)石墨烯、聚苯胺納米纖維薄膜的微區(qū)可控功能化改性。
　　針對(duì)單層石墨烯的柔性功能器件應(yīng)用所面臨的微區(qū)氮摻雜這一問(wèn)題，探索了利用混有少量氮?dú)獾暮馕⒌入x子體射流，在不借助于任何掩模技術(shù)下實(shí)現(xiàn)單層石墨烯微區(qū)氮摻雜的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：石墨烯經(jīng)由等離子體射流處理后，實(shí)現(xiàn)了氮原子以嘧啶型結(jié)構(gòu)形式摻雜進(jìn)入石墨烯晶格之中。摻雜線寬受等離子體射

4、流發(fā)生裝置的噴嘴直徑調(diào)制，摻雜最小線寬接近10μm。理論分析認(rèn)為石墨烯薄膜氮摻雜的實(shí)現(xiàn)是因?yàn)楸砻嫣荚优c等離子體射流中N2+離子接觸時(shí)被激發(fā)而釋放足夠高的能量，破壞石墨烯邊緣或缺陷處的C-C共價(jià)鍵，使得等離子體射流氛圍中的活性氮原子在此處與碳原子反應(yīng)成鍵。射流發(fā)生裝置的噴嘴直徑與氮?dú)獗Ｗo(hù)氣共同抑制了等離子體射流的橫向發(fā)展，導(dǎo)致薄膜區(qū)域可控的摻雜。
　　針對(duì)聚苯胺納米纖維薄膜柔性器件應(yīng)用所面臨的抗機(jī)械彎折或電化學(xué)循環(huán)性能差這一問(wèn)題，

5、研究了利用氦氣冷等離子體射流實(shí)現(xiàn)聚苯胺納米纖維彼此焊接互連的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：等離子體射流激勵(lì)源的發(fā)生參數(shù)會(huì)對(duì)聚苯胺納米纖維產(chǎn)生不同的熱影響，固定激勵(lì)源的脈沖峰值電壓（6.5 kV）與脈寬（800 ns），當(dāng)發(fā)生頻率為2.5 kHz時(shí)，聚苯胺納米纖維未受到熱影響且只出現(xiàn)了薄膜摻雜現(xiàn)象；當(dāng)頻率為5 kHz時(shí)，聚苯胺納米纖維表現(xiàn)出明顯的尖端互連現(xiàn)象，且發(fā)生鉸鏈位置為聚苯胺單鏈結(jié)構(gòu)中醌環(huán)的C=N鍵所處位置，但纖維整體結(jié)構(gòu)得到很大程度的保留；

6、當(dāng)頻率為7.5 kHz時(shí)，聚苯胺納米纖維發(fā)生了熔融成片現(xiàn)象，且材料出現(xiàn)了明顯的無(wú)定型化發(fā)展現(xiàn)象。理論分析認(rèn)為尖端互連現(xiàn)象的產(chǎn)生源于聚苯胺納米纖維尖端放電引起的溫升，焊接后薄膜抗彎折性能明顯提升。氦氣冷等離子體射流誘導(dǎo)空氣產(chǎn)生的硝酸分子實(shí)現(xiàn)了聚苯胺納米纖維薄膜的摻雜，無(wú)保護(hù)氣氛、氦氣中未混合難電離氣體共同作用導(dǎo)致了摻雜區(qū)域分辨率不高。
　　針對(duì)碳布的柔性超級(jí)電容器應(yīng)用所面臨的儲(chǔ)能能力不足且倍率性能不佳的問(wèn)題，借助于電化學(xué)氧化與還原技

7、術(shù)的組合顯著地提升了碳布電極的儲(chǔ)能能力和倍率性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電化學(xué)氧化過(guò)程實(shí)現(xiàn)了碳纖維表面的剝離刻蝕，形成了100 nm左右的剝離碳?xì)忧冶砻娲植?，?dǎo)致碳布的比表面積小幅提高、含氧官能團(tuán)急劇增加。電化學(xué)還原過(guò)程致使部分含氧官能團(tuán)被去除，而且對(duì)可逆贗電容無(wú)貢獻(xiàn)的羰基基團(tuán)（C=O）去除最為明顯，大幅提高了電極的導(dǎo)電性，最終導(dǎo)致了碳布電極具有極佳的電容性能、倍率性能以及循環(huán)性能。在面電流密度為6 mA cm-2情形下，最高的面積比電容可達(dá)