基于低维纳米材料的柔性器件的制备与性能研究

摘要

近年来，柔性电子器件与传统器件相比较，展现出来的独特的延展性能、突出的电学特性和极其简便、成本低廉的制作工艺，使得这种器件在信息传输、能源节省和医疗卫生等方面的应用前景越来越广泛。然而，目前柔性电子器件的发展因为元器件拉伸而断裂所导致的器件性能下降和检测精度相较于传统电子器件不太理想的问题，使得柔性电子器件在各个领域的应用和发展上仍然显得任重而道远。
　　本论文基于以上柔性器件所具有的独特优势与目前存在的问题，利用成本低廉，延展性能好的高分子聚合物—聚二甲基硅氧烷(PDMS)及聚酰亚胺(PI)为柔性衬底，以氧化还原、水热等方法制备出均匀性好、电学及物理性能稳定、成本低廉的低维纳米材料，如银纳米颗粒(Ag NPs)、碳纳米管(CNTs)、钒酸银纳米线(AgVO3 NWs)等，通过物理方法将制备的纳米材料与PDMS等柔性衬底相结合，制备出电学性能优良，可拉伸的柔性电子器件，以期能够用于实现对拉力、压力、能源收集和人体呼吸速率等方面的检测，同时具备灵敏度高、拉伸性能好、快速的响应时间等电学特性。本文中，在应力检测方面，我们基于碳纳米管和银纳米颗粒的复合结构制备而成的拉力传感器，与同类型的传感器件相比较，灵敏度更高，并且克服了较大形变下恢复性能变差的缺点；除此以外，将PDMS柔性衬底经过物理方法在其表面制备出微米三维结构，并且沉积上银纳米颗粒之后，其在压力检测上的性能也十分突出，具备检测精度高，器件体积小，携带方便的优点；而在生物医疗方面，我们所制备的呼吸传感器能够识别呼吸频率的改变及呼吸振幅的变化，而这将极大地丰富医疗上对于病人身体健康的监测手段以及对于呼吸暂停综合症患者的预防及急救；同时，在能源收集上，基于PTFE纳米结构与PVDF薄膜的柔性复合纳米发电机能够收集自然界中的热能和机械能，并实现了对金属电极表面的保护，这对于自然界能源收集的研究及该系统在生物医疗和无线通信等其他领域的供电问题上提供了参考。
　　与传统的检测器件相比较，本方法所制备的柔性器件在机械性能、生物医疗和能源收集等方面，克服了传统电子器件携带不便，检测范围小以及在较大形变下器件变形而导致的测量失效等缺点，在保证电子器件电学及物理性能稳定、测量结果准确而有效的前提下，在电子器件的便携性、电子器件在临床医疗上的应用及人体舒适度等方面为下一代新型电子产品的研发做出了尝试和探索。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 柔性电子器件的国内外研究历史与现状

1.3 实验所用低维纳米材料性能简介

1.4 论文研究内容及意义

第二章 主要测试仪器简介及柔性器件的制备

2.1 实验所用测试仪器简介

2.2 柔性电子器件的制备

第三章 基于银纳米颗粒与碳纳米管的柔性应力传感器性能研究

3.1 结构与形貌分析

3.2 器件的电学特性与实验数据分析

3.3 器件的稳定性研究

3.4 实验理论依据与模型建立

3.5 本章小结

第四章 基于钒酸银纳米线的柔性呼吸传感器的性能研究

4.1 结构与形貌分析

4.2 器件的电学特性与报警电路的设计

4.3 器件的稳定性研究

4.4 实验理论依据与模型建立

4.5 本章小结

第五章 基于PTFE纳米结构的柔性复合纳米发电机的性能研究

5.1 结构与形貌分析

5.2 柔性复合纳米发电机的性能研究与数据分析

5.3 器件工作的理论依据与模型分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 未来展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的成果