柔性纳米发电机的制备及其在自驱动紫外传感器的应用

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随着科学技术的快速发展,柔性电子设备在可穿戴电子器件、可植入式电子器件、人造皮肤等不同领域得到广泛研究。电源是柔性电子器件的核心部分,制备合适的柔性电源是实现电子器件柔性化的关键步骤。因此,柔性电源技术的研究对于柔性电子设备的应用与发展而言意义重大。柔性纳米发电机作为新型纳米发电技术,可以有效地将环境中的机械能转化为电能,该技术在实现柔性电子器件的电能供给方面具有巨大的应用潜力。本论文中,主要从提高柔性纳米发电机的可靠性、输出性能以及柔性纳米发电机在自驱动紫外传感器中的应用展开研究。利用反应离子束刻蚀技术为纤维基ZnO纳米线阵列制作PDMS保护层,该保护层可以大幅提升复合结构的力学性能。将加固后的纤维基ZnO纳米线进行编织,制备高可靠性的纤维基柔性纳米发电机。该柔性纳米发电机经过3600 s的高强度机械运动测试,其输出信号仍然保持稳定。在法拉第笼辅助作用下,利用反应离子束刻蚀技术在聚合物表面制备角度在0°至90°范围内可精确控制的纳米线阵列。该方法具有普适性,可在不同聚合物表面制备倾斜纳米线阵列。我们首次利用倾斜纳米线阵列提高柔性摩擦纳米发电机的输出性能。相比于常规垂直纳米线阵列,其输出在开路电压、短路电流和感应电荷量方面分别提高73%、150%和98%。利用倾斜光刻和倒模技术,在织物表面制备倾斜PDMS微米柱阵列。使用具有倾斜微米柱阵列的织物制作可穿着摩擦纳米发电机,其中倾斜微米柱阵列可以显著提升摩擦发电机的输出性能。该发电机的输出电压、电流和瞬时输出功率分别为1014.2 V、51.9?A和3.4 mW。利用尼龙和涤纶织物制备独立摩擦层式可穿着摩擦纳米发电机,该发电机不受独立摩擦层材料的限制可以同时收集垂直接触分离式和横向滑动式的驱动能量。在制备过程中,利用反应离子书刻蚀在织物表面制备纳米线阵列增加摩擦面的接触面积,以及利用等离子体在织物表面进行含氟基团修饰提升织物材料的得电子能力。最后,研究了柔性纳米发电机在自驱动紫外传感器方面的应用。将纤维基纳米发电机和纤维基紫外传感器组成柔性自驱动紫外传感系统,实现对5 mW/cm2至12 mW/cm2紫外强度的定量探测。此外,由于不同强度紫外线对ZnO纳米线内部载流子浓度的调控作用,通过监测发电机的输出实现对紫外强度的定量探测,因此该纤维基纳米发电机可以作为自驱动紫外传感器。
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