【摘 要】
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微纳米加工技术作为一种可在微米、纳米尺度构建形貌和结构的技术,在工业生产和科学研究领域被广泛应用。传统的微纳米加工技术如电子束刻蚀、离子束刻蚀等,其高成本、高能耗等缺陷限制其在价格敏感用户中的使用。近年来发展起来的微球自组装技术以其可低成本、大面积制备微纳米结构而受到广泛的关注,成为传统微纳米加工技术的良好补充。而随着柔性器件在现实生活中的运用愈加广泛,在柔性基底表面低成本地构建出微纳米结构并以此
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微纳米加工技术作为一种可在微米、纳米尺度构建形貌和结构的技术,在工业生产和科学研究领域被广泛应用。传统的微纳米加工技术如电子束刻蚀、离子束刻蚀等,其高成本、高能耗等缺陷限制其在价格敏感用户中的使用。近年来发展起来的微球自组装技术以其可低成本、大面积制备微纳米结构而受到广泛的关注,成为传统微纳米加工技术的良好补充。而随着柔性器件在现实生活中的运用愈加广泛,在柔性基底表面低成本地构建出微纳米结构并以此组成柔性器件成为研究者探索的领域。本文为了在柔性可拉伸的弹性体表面构建微纳米结构,使用微球自组装方法,借助液面的辅助,开发出几种可大规模低成本制备柔性且表面微结构可调弹性体薄膜的方法,同时将这几种弹性体薄膜运用于对表面结构敏感的应用中,如表面增强拉曼基底、润湿性可调基底和摩擦生电器件。本文包括以下四个部分:(一)基于硬质基片制备金银纳米颗粒包覆反蛋白石结构聚二甲基硅氧烷薄膜及其表面增强拉曼散射效应性能的研究在本部分工作中,我们以硬质基片上的单层聚苯乙烯微球薄膜为模板,再通过转印的方式构建出具有反蛋白石结构的聚二甲基硅氧烷薄膜,同时使用低成本的溶液合成方法将金/银纳米颗粒沉积于该聚二甲基硅氧烷薄膜的表面,用作表面增强拉曼散射测试基底。该基底具有低成本、高灵敏度、高信号重复率及良好的柔性等特点,可以用于弯曲表面的取样和检测。使用该基底对奈尔兰A进行检测,其检测极限可达1×10-10 M,信号相对标准差为13.1%,拉曼信号增强因子为3 × 107;对龙虾表面的孔雀石绿进行检测,检测极限为2.7×10-7 M,表明该SERS基底在水产品质量安全检测方面具有较好的应用潜力。可以期待此种构建金/银纳米颗粒包覆反蛋白石结构PDMS薄膜的方法能够在未来更多的应用于柔性、低成本的器件中。(二)基于液面制备银包覆锥状阵列结构聚二甲基硅氧烷薄膜及其表面增强拉曼散射效应性能的研究在本部分工作中,我们发展出一种以液面作为载体承载聚苯乙烯微球单层膜模板和聚二甲基硅氧烷薄膜的方法,能够制备大面积柔性锥状阵列结构聚二甲基硅氧烷薄膜。该方法可克服第一部分工作中PS微球单层膜模板在转移过程中出现的裂纹,以及聚二甲基硅氧烷从硅片表面揭下过程中所产生的形貌缺陷,和转印方法制备聚二甲基硅氧烷薄膜尺寸受限的问题。在使用蒸镀法将其包覆银后,将此聚二甲基硅氧烷薄膜用作表面增强拉曼散射测试基底。使用该基底对奈尔兰A和孔雀石绿进行测试,其检测极限分别为1× 10-10 M和2.7 × 10-7M,拉曼信号增强因子为1.8 × 107。同时由于该制备方法避免缺陷的产生,其信号相对标准差为9.7%。可以期待本章方法经过优化后能够在柔性低成本器件、光子晶体等应用领域产生更重要作用。(三)聚二甲基硅氧烷薄膜表面阵列结构形貌的精确控制及其表面润湿性能的研究本部分工作基于第二部分工作中的实验方法,研究聚二甲基硅氧烷表面微结构的变化机理,提出一种简单、低成本、可大规模使用的精细调整聚二甲基硅氧烷薄膜表面微结构的方法。本方法通过控制额外交联固化加热温度和时间,调整聚二甲基硅氧烷的交联固化程度,杨氏模量和溶剂刻蚀耐受性。经过溶剂刻蚀后,在聚二甲基硅氧烷薄膜表面分别构建出浅坑阵列结构、锥状阵列结构、针尖阵列结构和反蛋白石结构。同时我们证明在不同形貌下聚二甲基硅氧烷薄膜表面的水滴分别处于Wenzel状态、Cassie亚稳状态和Cassie状态,水接触角相对于平面聚二甲基硅氧烷提升最大幅度约30°。本方法简单、低成本、可大规模生产,可以期望未来应用于制备润湿性、摩擦性、附着力可调表面等领域中。(四)基于表面形貌可调聚二甲基硅氧烷薄膜电极制备摩擦生电器件及其电学性能的研究本部分工作基于第三部分工作中的实验方法,制备出具有阵列结构聚二甲基硅氧烷薄膜电极,并以此组装出具有良好的光透过率,且可通过调整聚二甲基硅氧烷薄膜电极的表面形貌改变器件的电学输出性能的摩擦生电器件。我们证明高表面粗糙度有助于器件获得更大的的开路电压和短路电流,峰值达到27.7 V和0.8 μA;负载电阻也可影响器件的输出电压、输出电流和峰值功率,在负载电阻为10 MΩ时,器件平均峰值输出功率达到最大。器件在约600次的工作循环中表现出良好耐用性和输出稳定性。基于以上结果,可期望本部分工作在触摸屏等领域具有更广泛的应用前景。
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