纤维电极界面有序分形结构调控及其应用研究

摘要

随着可穿戴电子技术的飞速发展，柔性可穿戴器件不断突破传统平板块状结构的限制，衍生出柔性纤维、网状等更复杂的新型器件结构。其中，由于纤维结构器件具有重量轻、可弯曲、可扭转等特点，已成为国际上的热点研究领域。纤维结构器件的研究中，在纤维电极界面组装金属或者氧化物等功能材料，构筑出有序结构具有重要的科学意义。有序结构包括周期性有序和自相似有序。其中在自相似有序结构中，分形结构的研究占据重要篇幅。在纤维电极上组装破碎的、分支的多级分形结构，可以为纤维器件提供更大的比表面积，极大提高纤维器件的性能。在纤维电极上组装平滑的、均匀的功能材料，可以提高纤维器件的传输效率和柔性需求。然而，纤维电极界面存在各向异性、曲率高以及边沿效应更加显著的特点，强化了界面的非线性动力学特征，影响电极材料以及器件的结构设计。因此，对纤维电极界面的有序结构的构筑和调控具有重要意义。　　本工作围绕纤维界面上有序分形结构的生长、调控和应用而展开。针对电极边沿、纤维界面等高曲率界面的金属分形现象，通过引入电场驱动的定向运动修正传统的DLA分形生长模型，提出了基于电场定向运动和随机运动的分形生长机理；基于引入电场、流场等多场耦合的强化方法，开发出了三种电沉积微反应器，制备了二维薄层、一维定向阵列、三维阵列三种金属分形结构电极材料；通过在纤维和分形结构上的功能材料组装，探究纤维电极在能源器件及可穿戴集成电子织物上的应用。　　本论文研究内容主要包括以下几点：　　（1）针对微点电极高曲率边缘的二维薄层分形生长现象，通过引入离子的电场定向电迁移对DLA模型进行修正，建立并编写了Matlab的理论模型，提出了基于微点电极的二维薄层金属锰电沉积过程的分形生长机理；研究通过开发了基于气-液界面限域的电沉积微反应器，成功制备了二维薄层锰分形结构电极材料，系统考察电沉积电压、时间、金属离子浓度等外控生长条件对二维薄层锰分形结构电极的影响；同时，初步探索了锰分形结构电极在超级电容器中的应用。　　（2）针对纤维电极界面一维定向阵列分形生长现象，通过对一维定向阵列锰分形结构过程中趋于X轴的定向运动强度和随机布朗运动强度理论分析，建立基于定向驱动和随机布朗运动的一维定向分形生长Matlab理论模型，提出了金属锰在纤维电极上的一维定向阵列分形生长机理；研究通过开发了基于定向流场控制的薄层微反应器，成功制备了一维定向阵列锰分形结构电极材料，系统考察了电沉积电压、时间、金属离子浓度和添加剂浓度等外控生长条件对一维定向阵列锰分形结构电极形貌的影响；同时，利用原位直接氧化法在金属锰分形界面组装纳米多孔锰氧化物，制备出高性能的一维定向阵列锰分形结构超级电容器，其在放电电流为2mA?cm-2时，面积比电容能达到653mF?cm-2，在5000次循环后电容值仍保持初始值的81％。　　（3）针对纤维电极界面三维阵列分形生长现象，通过对分形结构过程中粒子的电场定向运动强度和随机运动强度的理论分析，提出了纤维电极上的三维阵列分形生长机理；研究开发了全浸入式微反应器，成功在纤维电极上生长了三维阵列镍分形结构电极材料，系统考察电沉积电压、时间等外控生长条件对三维阵列镍分形结构电极形貌的影响；同时，以超薄纳米片状NiO、纳米颗粒状活性炭作为活性材料制备出三维阵列镍分形超级电容器，其NiO//AC的非对称超级电容器比电容达到313mF?cm-2，能量密度和功率密度分别可以达到0.1408mWh?cm-2和3.01mW?cm-2。该纤维超级电容器可以弯曲并编织成能源织物，进而可以直接驱动玩具小车等商用电子设备。　　（4）针对纤维界面平滑均匀的金属镀层和功能氧化物膜层的调控，通过抑制纤维界面电沉积分形现象，在纤维电极上制备均匀平滑的金属镀层，系统考察了电沉积电压、时间和pH值对金属镀层的影响；通过探索纤维界面氧化物材料成膜工艺，提出了基于激光定点生长成膜的新方法，进而优化了纤维界面功能材料的组装方法，制备出了纤维基场效应晶体管，其开关比可以达到~103。此外，利用纤维结构器件可编织的优势，结合飞梭织布技术，将纤维传感器件、纤维能源器件、纤维场效应晶体管等电子元件编织成可实时监测人体运动、汗液和环境光的可穿戴集成电子织物。

目录

1 绪 论

1.1 纤维结构新型电极

1.1.1 传统纤维到功能纤维

1.1.2 功能纤维电极的制备方法

1.1.3 纤维电极在器件中的应用

1.2 有序功能材料自组装合成技术

1.2.1 自组装原理简介

1.2.2 有序功能材料自组装合成方法

1.2.3 有序功能材料中的自组织理论

1.3 有序结构中的非线性动力学机制

1.3.1 非线性非平衡态理论简介

1.3.2 周期性振荡现象

1.3.3 自相似分形现象

1.4 柔性纤维电子元件简介

1.4.1 柔性纤维导电材料

1.4.2 柔性纤维电子元件

1.4.3 纤维基集成器件及织物

1.5 本论文研究内容与创新点

1.5.1 研究内容

1.5.2 创新点

2 实验部分

2.1 实验材料、试剂与设备

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验试剂

2.2.2 实验仪器

2.2 电沉积微反应器设计

2.2.1 气-液界面反应器

2.2.2薄层反应器

2.2.3 全浸入反应器

2.3 分形维数计算和机理模拟

2.4 纤维基电子器件组装

2.4.1 能源器件组装

2.4.2 纤维基晶体管组装

2.4.3 纤维基电阻式传感器组装

2.5 结构形貌表征及性能测试

2.5.1 结构形貌表征

2.5.2 性能测试

3 微点电极界面二维薄层分形生长及机理研究

3.1 引言

3.2 二维薄层锰分形生长影响因素研究

3.2.1 气-液界面对分形结构的影响

3.2.1 电沉积时间

3.2.2 电沉积电压

3.2.3 锰离子浓度

3.3 二维薄层金属分形生长机理研究

3.3.1 电场驱动的定向运动

3.3.2 随机布朗运动

3.3.3 电沉积不同粒子数

3.3.4 不同金属离子电沉积分形行为

3.4 二维薄层锰分形超级电容器应用研究

3.4.1 设计思路

3.4.2 结果讨论

3.5 本章小结

4 纤维电极界面一维定向阵列分形生长及机理研究

4.1 引言

4.2 一维定向阵列锰分形生长影响因素研究

4.2.1 电沉积电压

4.2.2 电沉积时间

4.2.3 锰离子浓度

4.2.4 添加剂浓度

4.3 一维定向阵列金属锰分形生长机理研究

4.3.1 电场驱动的定向运动

4.3.2随机布朗运动

4.3.3 不同粒子数目

4.4 一维定向阵列锰分形超级电容器应用研究

4.4.1 锰分形结构电极形貌分析

4.4.2 超级电容器电化学性能测试

4.4.3 不同基底对电容性能的影响

4.5 本章小结

5 纤维电极界面三维阵列分形生长及机理研究

5.1 引言

5.2 三维阵列分形生长影响因素研究

5.2.1 表面积对比

5.2.2 电沉积电压

5.2.3 电沉积时间

5.3 三维阵列镍分形生长机理研究

5.4 三维镍分形超级电容器应用研究

5.4.1 三维镍分形结构对电容性能的影响

5.4.2 柔性超级电容器半电容性能

5.4.3 柔性非对称超级电容性能

5.5 本章小结

6 纤维电极均匀膜层调控及应用研究

6.1 引言

6.2 纤维电极均匀金属镀层影响因素研究

6.2.1 电沉积电压

6.2.2 电沉积时间

6.2.3 电解质 pH值

6.3 纤维电极均匀氧化物膜层制备方法研究

6.3.1 纤维界面氧化物成膜工艺

6.3.2 激光法对氧化物膜层的影响

6.4 纤维电子器件应用

6.4.1 纤维基电解质栅控场效应晶体管

6.4.2 场效应晶体管性能影响因素研究

6.4.3 基于纤维结构集成电路构建

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间的科研成果

B. 作者在攻读学位期间参与的项目

C 学位论文数据集

致谢