【摘要】：柔性電子技術(shù)正帶來(lái)一場(chǎng)電子技術(shù)革命,已經(jīng)開(kāi)辟出諸多創(chuàng)新性的電子產(chǎn)品和應(yīng)用領(lǐng)域,成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。然而,柔性電子器件可穿戴化、小型化、功能多樣化的發(fā)展趨勢(shì)使器件的供電和冷卻問(wèn)題成為新的技術(shù)瓶頸。鐵電材料具有本征的壓電效應(yīng)(即可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化)和電卡效應(yīng)(即利用電場(chǎng)改變材料溫度),在器件供電及冷卻問(wèn)題上具有潛在的應(yīng)用。然而,典型的高性能無(wú)機(jī)鐵電材料在力學(xué)上表現(xiàn)出脆性與剛性,而其薄膜往往生長(zhǎng)在剛性襯底上,難以進(jìn)行大幅度的彎曲,將其集成到柔性可穿戴電子器件面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。本論文選擇廣泛應(yīng)用的鋯鈦酸鉛系鐵電材料,采用獨(dú)特的二維云母襯底實(shí)現(xiàn)了柔性鐵電薄膜的直接制備并深入探索了其在壓電、電卡等能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。首先研究了利用溶膠凝膠法在云母襯底上制備PbZr0.52Ti0.4803(PZT)薄膜的最佳工藝,并成功地制備出大面積、高質(zhì)量、彎曲曲率半徑可達(dá)到2.2 mm的PZT柔性鐵電薄膜。此外,發(fā)現(xiàn)了云母襯底增益鐵電薄膜性能的現(xiàn)象,并分析討論了其物理機(jī)理:云母襯底超高的表面質(zhì)量?jī)?yōu)化了 PZT的顯微結(jié)構(gòu),降低了其缺陷密度;云母襯底的柔性則會(huì)釋放鐵電疇翻轉(zhuǎn)和變形過(guò)程產(chǎn)生的阻礙應(yīng)力從而使其表現(xiàn)出更優(yōu)異的鐵電壓電性能。其次,針對(duì)可穿戴電子設(shè)備的供電問(wèn)題,設(shè)計(jì)并制備出了 PZT柔性壓電能量收集器,獲得了國(guó)際領(lǐng)先水平的性能:開(kāi)路電壓高達(dá)120V,短路電流和電流密度分別為0.28μA和150 μAcm-2,器件最大功率密度高達(dá)42.7 mW cm-3,在高強(qiáng)度運(yùn)行40000個(gè)周期后性能未見(jiàn)明顯衰退。最后,針對(duì)可穿戴電子設(shè)備的冷卻問(wèn)題,在PZT薄膜的基礎(chǔ)上進(jìn)行組分設(shè)計(jì)與微結(jié)構(gòu)調(diào)控,成功在云母襯底上制備出了高質(zhì)量Pb0.82Ba0.08La0.1Zr0.9Ti0.1O3柔性薄膜。其在室溫時(shí)絕熱溫變和等溫熵變分別達(dá)22.5K和25.9J K-1 kg-1,且在彎曲狀態(tài)保持電卡性能穩(wěn)定,性能優(yōu)于己報(bào)道的柔性無(wú)機(jī)電卡材料。綜上所述,本論文系統(tǒng)地研究了高質(zhì)量柔性鐵電薄膜的直接制備并探索了其在壓電能量收集、電卡制冷等能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用,為柔性可穿戴電子器件中的供電和冷卻兩大難題提供有價(jià)值的解決方案,促進(jìn)柔性電子與可穿戴器件學(xué)科內(nèi)涵和應(yīng)用外延。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.2
【圖文】：

邐？0邐ｇ0邋Ｕ邋｜邐Ｕ邋ｏｏ邐ｏｏ邐ｅｏ邐ｏｏ邐ｕ逡逑圖１．２經(jīng)典電滯回線圖及其對(duì)應(yīng)的極化狀態(tài)逡逑值得說(shuō)明的是，鐵電材料并不是在所有溫度都能表現(xiàn)出鐵電性。在溫度高于某個(gè)特逡逑定溫度時(shí)，鐵電相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤啵ǎ校幔颍幔澹欤澹悖簦颍椋悖校瑁幔螅澹⿵亩ヨF電性。這一特定溫度逡逑即為該鐵電材料的居里溫度（Ｃｕｒｉｅ邋Ｐｏｉｎｔ，邋７；），鐵電材料的物理性能在居里溫度附近通常逡逑會(huì)發(fā)生突變，如圖１．３所示。逡逑Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ邋Ｐａｒａｅｌｅｃｔｒｉｃ逡逑Ｉ邐Ａ逡逑１邐Ａ邋ＣＣＳ？ＯＤ逡逑ＩｖｌＶ．逡逑邐１邐？逡逑Ｔｃ逡逑Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ逡逑圖１．３鐵電－順電相轉(zhuǎn)變示意圖逡逑人們利用鐵電材料存在剩余極化強(qiáng)度這一特性，規(guī)定＋Ａ和兩個(gè)極化狀態(tài)分逡逑別對(duì)應(yīng)布爾代數(shù)中的０和１兩個(gè)狀態(tài)，并以此發(fā)明了鐵電存儲(chǔ)器。與其他存儲(chǔ)器相比，逡逑鐵電存儲(chǔ)器具有非揮發(fā)性、讀寫(xiě)速度快、抗輻射、高密度和與半導(dǎo)體工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)｜４］。逡逑因此國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在非易失鐵電存儲(chǔ)器領(lǐng)域開(kāi)展了大量且深入的研宄工作［５＿＂］。此外，逡逑鐵電材料自發(fā)極化引起的內(nèi)建電場(chǎng)也被巧妙地應(yīng)用于科學(xué)研宄中

鐵電相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤啵ǎ校幔颍幔澹欤澹悖簦颍椋悖校瑁幔螅澹⿵亩ヨF電性。這一特定溫度逡逑即為該鐵電材料的居里溫度（Ｃｕｒｉｅ邋Ｐｏｉｎｔ，邋７；），鐵電材料的物理性能在居里溫度附近通常逡逑會(huì)發(fā)生突變，如圖１．３所示。逡逑Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ邋Ｐａｒａｅｌｅｃｔｒｉｃ逡逑Ｉ邐Ａ逡逑１邐Ａ邋ＣＣＳ？ＯＤ逡逑ＩｖｌＶ．逡逑邐１邐？逡逑Ｔｃ逡逑Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ逡逑圖１．３鐵電－順電相轉(zhuǎn)變示意圖逡逑人們利用鐵電材料存在剩余極化強(qiáng)度這一特性，規(guī)定＋Ａ和兩個(gè)極化狀態(tài)分逡逑別對(duì)應(yīng)布爾代數(shù)中的０和１兩個(gè)狀態(tài)，并以此發(fā)明了鐵電存儲(chǔ)器。與其他存儲(chǔ)器相比，逡逑鐵電存儲(chǔ)器具有非揮發(fā)性、讀寫(xiě)速度快、抗輻射、高密度和與半導(dǎo)體工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)｜４］。逡逑因此國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在非易失鐵電存儲(chǔ)器領(lǐng)域開(kāi)展了大量且深入的研宄工作［５＿＂］。此外，逡逑鐵電材料自發(fā)極化引起的內(nèi)建電場(chǎng)也被巧妙地應(yīng)用于科學(xué)研宄中，用于取代場(chǎng)效應(yīng)管中逡逑３逡逑

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