提出應(yīng)用于高輸出摩擦納米發(fā)電機(jī)的多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜快速制備技術(shù)。將去離子水均勻分散在PDMS預(yù)聚體中形成乳狀液體,采用旋涂和快速熱固化獲得多孔PDMS薄膜,以其作為負(fù)摩擦層制備垂直接觸-分離模式摩擦納米發(fā)電機(jī),研究去離子水混合比例對(duì)多孔PDMS薄膜形貌和摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出性能的影響。實(shí)驗(yàn)表明,PDMS∶去離子水乳狀液中去離子水的比例會(huì)顯著影響薄膜形貌和摩擦納米發(fā)電機(jī)電能輸出。當(dāng)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增加到8%時(shí),摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出開路電壓隨去離子水比例的增大而提高。去離子水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%時(shí),輸出開路電壓達(dá)到最大值110 V;當(dāng)去離子水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%時(shí),摩擦納米發(fā)電機(jī)輸出開路電壓隨去離子水比例的增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。 

【文章來源】：電子元件與材料. 2020,39(07)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

摩擦納米發(fā)電機(jī)制備過程示意圖

圖2描述了垂直接觸-分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作過程[12-13]。由于摩擦起電能力的差異,銅摩擦層容易失電子,而PDMS摩擦層容易得電子。當(dāng)上下兩個(gè)摩擦層在外力的作用下接觸時(shí),在接觸面產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移,最終結(jié)果是兩個(gè)摩擦層表面帶上數(shù)量相等、極性相反的靜電荷,如圖2(Ⅰ)所示。當(dāng)兩摩擦層在外力作用下慢慢分離,將會(huì)在兩帶電的摩擦層之間形成電勢(shì)差。由于靜電感應(yīng),帶負(fù)電荷的下表面將排斥其底部電極的電子,從而形成經(jīng)過外部電路的電流,如圖2(Ⅱ)。當(dāng)兩個(gè)摩擦層之間的距離達(dá)到最大時(shí),系統(tǒng)處于靜電平衡,如圖2(Ⅲ)所示。當(dāng)兩個(gè)摩擦層再次靠近時(shí),外電路流過與上述過程方向相反的電流,如圖2(Ⅳ)所示。當(dāng)兩個(gè)摩擦層完全接觸時(shí),外電路不再有電流存在,系統(tǒng)重新達(dá)到原始的靜電平衡狀態(tài)。因此,在一個(gè)完整的接觸-分離-接觸周期中,將產(chǎn)生兩個(gè)極性相反的脈沖電流。2.2 多孔PDMS薄膜形貌及器件輸出性能

圖3為所制備的多孔PDMS薄膜掃描電子顯微鏡(SEM)照片。PDMS薄膜中存在大量微米級(jí)孔洞。在乳狀液中去離子水以液珠形式穩(wěn)定地分散在PDMS溶液中,因此通過旋涂制備的薄膜中也存在大量的去離子水液珠�？焖贌峁袒^程中由于PDMS薄膜已經(jīng)部分固化,因此液滴汽化后會(huì)在PDMS薄膜相應(yīng)位置留下孔洞。同時(shí)在PDMS薄膜的表面會(huì)形成部分微米級(jí)開口,從而增加PDMS薄膜的表面粗糙度。上述結(jié)果表明通過在PDMS預(yù)聚體中分散去離子水液滴并結(jié)合快速熱固化工藝,可以快速低成本地制備具有表面微結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜。多孔PDMS薄膜的形貌分析表明,在微小區(qū)域中孔洞尺寸和位置分布具有一定的隨機(jī)性。這是由于去離子水液珠在乳狀液中的分布隨機(jī)性造成的。然而基于多孔PDMS薄膜的摩擦納米發(fā)電機(jī)摩擦層往往具有厘米量級(jí)的尺寸,因此在宏觀范圍內(nèi)多孔PDMS薄膜的孔洞尺寸和位置分布隨機(jī)性不會(huì)對(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)的電輸出性能產(chǎn)生明顯影響。如圖4所示,對(duì)于具有相同制備工藝參數(shù)而批次不同的兩個(gè)多孔PDMS薄膜,其摩擦發(fā)電性能幾乎相同。這表明多孔PDMS薄膜制備過程中去離子水的比例相同時(shí),可獲得相同的電能輸出。


本文編號(hào)：3330451