柔性功能器件用碳基膜材可控改性研究.pdf

1、隨著柔性電子技術的迅猛發(fā)展，柔性電子器件在信息、能源、醫(yī)療、國防等領域的重要作用越來越突顯。然而，由于傳統(tǒng)加工技術如三束（電子、離子和激光）、LIGA（光刻、電鑄和注塑）加工等技術存在低產(chǎn)高耗瓶頸問題，同時聚合物襯底因熱穩(wěn)定性差而難以匹配如集成電路等制造工藝，結合現(xiàn)有的微納加工理論基礎開發(fā)出可以實現(xiàn)柔性器件簡單高效、低成本、高精度制作的技術至關重要。與此同時，為了實現(xiàn)柔性電子器件的廣泛應用，其供能部件的柔性化與高性能化設計也非常關鍵。本

2、論文針對碳基膜材在柔性器件應用時所面臨的功能化問題，依托于大氣壓等離子體射流和電化學處理技術，借助于拉曼光譜（Raman）、紅外光譜（FT-IR）、X射線能譜（XPS）、掃面電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等分析手段，開展了單層石墨烯微區(qū)摻雜、聚苯胺納米纖維焊接互連、碳纖維布可控氧化改性的系統(tǒng)研究。具體內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　大氣壓低溫等離子體射流技術在膜材表面選區(qū)改性方面優(yōu)勢明顯，接近室溫的處理條件特別適合于溫

3、敏基材的薄膜表面可控改性。因此我們自主研制了一套基于大氣壓冷等離子體射流技術的膜材可控改性系統(tǒng)，用以實現(xiàn)石墨烯、聚苯胺納米纖維薄膜的微區(qū)可控功能化改性。
　　針對單層石墨烯的柔性功能器件應用所面臨的微區(qū)氮摻雜這一問題，探索了利用混有少量氮氣的氦氣微等離子體射流，在不借助于任何掩模技術下實現(xiàn)單層石墨烯微區(qū)氮摻雜的方法。實驗結果表明：石墨烯經(jīng)由等離子體射流處理后，實現(xiàn)了氮原子以嘧啶型結構形式摻雜進入石墨烯晶格之中。摻雜線寬受等離子體射

4、流發(fā)生裝置的噴嘴直徑調(diào)制，摻雜最小線寬接近10μm。理論分析認為石墨烯薄膜氮摻雜的實現(xiàn)是因為表面碳原子與等離子體射流中N2+離子接觸時被激發(fā)而釋放足夠高的能量，破壞石墨烯邊緣或缺陷處的C-C共價鍵，使得等離子體射流氛圍中的活性氮原子在此處與碳原子反應成鍵。射流發(fā)生裝置的噴嘴直徑與氮氣保護氣共同抑制了等離子體射流的橫向發(fā)展，導致薄膜區(qū)域可控的摻雜。
　　針對聚苯胺納米纖維薄膜柔性器件應用所面臨的抗機械彎折或電化學循環(huán)性能差這一問題，

5、研究了利用氦氣冷等離子體射流實現(xiàn)聚苯胺納米纖維彼此焊接互連的方法。實驗結果表明：等離子體射流激勵源的發(fā)生參數(shù)會對聚苯胺納米纖維產(chǎn)生不同的熱影響，固定激勵源的脈沖峰值電壓（6.5 kV）與脈寬（800 ns），當發(fā)生頻率為2.5 kHz時，聚苯胺納米纖維未受到熱影響且只出現(xiàn)了薄膜摻雜現(xiàn)象；當頻率為5 kHz時，聚苯胺納米纖維表現(xiàn)出明顯的尖端互連現(xiàn)象，且發(fā)生鉸鏈位置為聚苯胺單鏈結構中醌環(huán)的C=N鍵所處位置，但纖維整體結構得到很大程度的保留；

6、當頻率為7.5 kHz時，聚苯胺納米纖維發(fā)生了熔融成片現(xiàn)象，且材料出現(xiàn)了明顯的無定型化發(fā)展現(xiàn)象。理論分析認為尖端互連現(xiàn)象的產(chǎn)生源于聚苯胺納米纖維尖端放電引起的溫升，焊接后薄膜抗彎折性能明顯提升。氦氣冷等離子體射流誘導空氣產(chǎn)生的硝酸分子實現(xiàn)了聚苯胺納米纖維薄膜的摻雜，無保護氣氛、氦氣中未混合難電離氣體共同作用導致了摻雜區(qū)域分辨率不高。
　　針對碳布的柔性超級電容器應用所面臨的儲能能力不足且倍率性能不佳的問題，借助于電化學氧化與還原技

7、術的組合顯著地提升了碳布電極的儲能能力和倍率性能。實驗結果表明：電化學氧化過程實現(xiàn)了碳纖維表面的剝離刻蝕，形成了100 nm左右的剝離碳殼層且表面粗糙，導致碳布的比表面積小幅提高、含氧官能團急劇增加。電化學還原過程致使部分含氧官能團被去除，而且對可逆贗電容無貢獻的羰基基團（C=O）去除最為明顯，大幅提高了電極的導電性，最終導致了碳布電極具有極佳的電容性能、倍率性能以及循環(huán)性能。在面電流密度為6 mA cm-2情形下，最高的面積比電容可達