【摘要】：柔性可穿戴器件正在日益豐富并改善著人們的日常生活,如柔性傳感器、柔性觸摸屏、柔性電池、柔性電子皮膚等。如今,無線技術、低功耗電子業(yè)、數(shù)字健康這些新興領域的發(fā)展正飛速地推進著柔性功能器件的發(fā)展與創(chuàng)新。有研究表示,柔性可穿戴領域在2018年的市場份額將達到206億美元。柔性透明導電薄膜和柔性微超級電容器是柔性電子設備中的重要組成部分,在很多領域中都被廣泛應用。高質(zhì)量的透明導電薄膜對電子設備實現(xiàn)高性能至關重要。柔性微超級電容器作為柔性電子設備中的儲能部件,同樣扮演著關鍵角色。本論文利用自主研制的室溫常壓脈沖等離子體射流技術,通過簡便高效、成本低廉的無掩膜版化掃描處理方法,針對柔性透明導電薄膜以及柔性微超級電容器在微納加工時所面臨的新型高質(zhì)量加工方法短缺的問題,實現(xiàn)了銀納米線柔性透明導電薄膜的微焊接、圖案化,以及碳基微超級電容器的組裝和高性能復合材料微超級電容器的制備。具體的內(nèi)容包括以下幾個方面:(1)通過無掩膜版化室溫常壓脈沖等離子體射流掃描的方法,簡單高效地實現(xiàn)了銀納米線薄膜中納米線接觸點處的微焊接。電子顯微鏡微觀研究結(jié)果顯示,經(jīng)等離子體處理后的銀納米線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中的接觸點被焊接到了一起。宏觀性能研究發(fā)現(xiàn),處理后的銀納米線薄膜在導電性、柔韌性上都得到了顯著的增強,透光性基本保持不變。具體的,質(zhì)量密度為79.6 mg m~(-2)的銀納米線薄膜在經(jīng)過等離子體處理后方阻從430Ω下降到了52Ω;在經(jīng)過1200個周期彎折半徑為3 mm的重復彎折實驗后,原始薄膜電阻增大了3倍,經(jīng)過處理的薄膜只發(fā)生了微弱的變化。(2)通過無掩膜版化室溫常壓脈沖等離子體射流掃描的方法,簡單高效地實現(xiàn)了銀納米線薄膜的快速圖案化。等離子體處理后,被刻蝕區(qū)域內(nèi)的銀納米線在微觀結(jié)構(gòu)上轉(zhuǎn)變成一個個彼此分離的聚團。被刻蝕區(qū)域不導電,可以充當導電電極之間的良好絕緣帶�？涛g區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)雖然發(fā)生了很大變化,但其透光率仍然保持在很高的水平。通過該圖案化方法可以制備出各式各樣的銀納米線薄膜圖案。等離子體的大部分放電參數(shù)都能影響到刻蝕所得線寬,因此圖案化的線寬是可控的�；诖藞D案化方法所制備的高性能柔性透明導電銀納米線電極被成功地使用到了發(fā)光二極管的照明電路上。(3)通過室溫常壓脈沖等離子體射流無掩膜版化刻蝕技術,成功地將各種碳材料薄膜圖案化,并且制備了以多壁碳納米管為活性物質(zhì)的全固態(tài)柔性微超級電容器。在表面積一樣時,12個交叉指電極組成的微超級電容器的電化學性能要高于8個或4個交叉指電極,這表明通過控制交叉指電極的結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)微超級電容器的功率和能量性能表現(xiàn)。所制得的性能最好的微超級電容器在掃速為10 mV s~(-1)時體電容為2.02 F cm~(-3)。在6000個恒電流充放電循環(huán)周期后,該微超級電容器保留了初始電容的94.1%。另外,微超級電容器也表現(xiàn)出了很好的柔性,在重復彎折600次后,仍然保有初始電容的98.2%。室溫常壓脈沖等離子體射流無掩膜版化刻蝕技術具有諸多優(yōu)勢,比如成本較低,易于大面積化;并且操作簡便,不需要掩膜版、預處理、真空系統(tǒng)、高溫處理、超凈間等苛刻的條件。更為重要的是,該技術能用來刻蝕各種各樣的碳材料,也就是對碳材料具有普適性。(4)通過室溫常壓脈沖等離子體射流無掩膜版化一步刻蝕技術,我們成功地將碳納米管/銀納米線復合薄膜圖案化得到交叉指狀電極,并制備了以銀納米線為集流體的全固態(tài)柔性面內(nèi)微超級電容器�；诘入x子體射流技術的一步化圖案化方法要比傳統(tǒng)的兩步法簡便很多。與沒有采用銀納米線集流體的微超級電容器相比,有銀納米線作為集流體的微超級電容器具有更加卓越的電化學倍率性能。另外,銀納米線集流體還為微超級電容器帶來了諸多其他的電化學性能提升,包括更好的循環(huán)穩(wěn)定性、更低的等效串聯(lián)電阻、更短的器件響應時間、更高的能量/功率密度等。制備的微超級電容器具有良好的柔韌性,在800次重復彎折實驗后,器件仍保留了94.9%的初始電容。另外,還利用等離子體射流處理技術,通過開發(fā)一種新型的基于石墨烯/碳納米管/銀納米線復合薄膜的類3D打印技術,制備了電極厚度達到20微米的高性能交叉指狀面內(nèi)微超級電容器,其面積比電容達到了22 mF cm~(-2)。
【圖文】：

圖 1-1 柔性傳感器的一些實際應用[2]Fig. 1-1 Typical flexible sensing techniques in practical applications[2]傳感陣列，尤其是電阻式傳感器陣列，通常需要在晶體管等電子元器件的幫

超級電容器一般由兩個對稱或者非對稱電極、液態(tài)或者固態(tài)電解質(zhì)和電極間的隔離層組成。圖1-2 展示了部分有關可穿戴超級電容器的工作。其中，，圖（a）為以碳布為集流體在圖 1-2 柔性可穿戴超級電容器[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雙電層超級電容器；圖（b）為以 Co9S8作為陽極材料和以 Co3O4/RuO2復合物作為陰極材料的非對稱超級電容器；圖（c）為以
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.2;TM53

【參考文獻】

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1 Xinning Luan;Ying Wang;;Plasmon-enhanced Performance of Dye-sensitized Solar Cells Based on Electrodeposited Ag Nanoparticles[J];Journal of Materials Science & Technology;2014年01期

本文編號：2684070