论文部分内容阅读
随着科学技术的发展,电子产品逐渐向小型化、可穿戴、和柔性可折叠等方向发展,这要求电子产品的组成部件例如电极、传感器件、储能器件具有柔性、可折叠、可拉伸的特点。然而,传统的导电电极材料,比如氧化铟锡(ITO)薄膜等,尽管具有高导电和透明的优势,但机械脆性高,无法实现可拉伸和弯曲折叠。此外,传统导电材料制备过程复杂,对工艺设备要求高,需要很高的热加工温度。这些问题严重制约电极材料的发展。因此,研究导电性能好、柔韧性高、可拉伸能力强的电极材料,并制备基于聚合物基底的透明柔性可拉伸器件,具有重要的价值和意义。石墨烯,由于其优异的物理性能,已成为电极和相关器件广泛关注的材料。本论文主要以铜箔为衬底,以甲烷为碳源,利用化学气相沉积(CVD)方法生长石墨烯薄膜。研究采用常压化学气相沉积、低压化学气相沉积和等离子体增强的化学气相沉积等不同方法来制备高质量和层数可控的石墨烯。其中,使用等离子增强CVD技术,在~350℃温度下成功得到高质量石墨烯,这是迄今所有文献报道中,得到高质量石墨烯薄膜的最低生长温度。我们利用湿法刻蚀和气泡转移方法,成功将生长的石墨烯转移到二氧化硅、玻璃和聚丙烯酸树脂(PAC)等衬底上。进一步使用多轴预拉伸技术制备石墨烯/聚丙烯酸树脂(PAC)柔性可拉伸电极,该电极能在200%的伸长量下导电性能依然保持稳定。此外,利用气泡模板法,在PAC基底上制备了银纳米线(Ag-NWs)和石墨烯的混合平面网格结构,制备出了透明可拉伸的石墨烯/Ag-NWs复合薄膜电极,具有较低的电阻率(230Ωsq-1)和高透明度(85%)。和石墨烯/聚丙烯酸树脂(PAC)电极相比,石墨烯/Ag-NWs复合薄膜中Ag-NWs显著降低了该电极的电阻率。因此本研究为实现透明柔性可拉伸石墨烯基电极提供了新的参考。我们利用石墨烯/Ag-NWs薄膜电极制备了三明治结构的透明、可拉伸和柔性的电容式压力传感器。由于使用了多轴向预拉伸PAC技术,传感器具有更高的拉伸性能,并表现出宽范围的应变敏感度,因此可被用于宽范围压力变化的领域。石墨烯在该传感器中起到电极和电荷存储材料双重作用,而Ag-NWs的引入增强了材料的导电性。该传感器在不同的压力频率(0.08-1.00 Hz)、10000次的应力和10000次的弯曲循环下,均表现出了优异的效果。该传感器也可以贴在人体的脖子和肘部等关节活动部位,用于观测颈部和肘部运动的频率和强度,其响应时间<1ms,且具有更低的能耗。此外,高电容量是提高电容式传感器件性能的重要方法。为了进一步提高电容器,我们利用尿素和氧化石墨烯,通过水热法制备了氮掺杂石墨烯凝胶材料。利用静电力作用机制,把氮掺杂石墨烯均匀的分散在甲基橙(MO)水溶液中,该分散液具有很高的稳定性,从而很容易利用抽滤方法制得柔性可弯曲的氮掺杂石墨烯薄膜。最后将氮掺杂石墨烯薄膜制成了固态柔性可拉伸的超级电容器,在30%拉伸度下,仍能保持很高的容量和良好的循环稳定性。