Pjezoelektrinis kompozitinis nanopluošto elektrodas nešiojamiems įrenginiams


Nešiojamų prietaisų programos pradėjo naują žmogaus ir kompiuterio sąveikos erą su įvairiais tikslais, pagrindinėmis koncepcijomis ir formomis. Šie prietaisai plačiai naudojami medicinos ir sveikatos srityse, tokiose kaip fiziologinių signalų vertinimas, atletika ir taršos aptikimas.

Pjezoelektrinis kompozitinis nanopluošto elektrodas nešiojamiems įrenginiams

Studijuoti: Azotu legiruotos redukuotos grafeno oksido keraminės polimerinės kompozicinės nanopluošto plėvelės, skirtos nešiojamiesiems įrenginiams, sintezė. Vaizdo kreditas: magic images / Shutterstock.com

Tačiau veiksmingo elektrodo su optimaliu dielektriniu pralaidumu dėvimiems prietaisams sukūrimas išlieka dideliu iššūkiu.

Neseniai paskelbtas tyrimas Mokslinės ataskaitos sprendžia šią problemą gamindamas pjezoelektrinį kompozitinį nanopluošto plėvelės elektrodą, skirtą naujoms nešiojamųjų įrenginių programoms.

Medžiagos nešiojamiesiems įrenginiams: apžvalga ir iššūkiai

Pjezoelektriniai kompozitai, kurių pagrindą sudaro polimerinės medžiagos ir keramika, sulaukė didelio susidomėjimo nešiojamų prietaisų taikymuose dėl puikių mechaninių ir elektrinių savybių, tokių kaip pritaikomumas, dielektrinės savybės ir atsparumas. Neapdorotų medžiagų elektrines charakteristikas galima pagerinti į kompozicines medžiagas įtraukiant pjezoelektrinę keramiką.

Nors pjezoelektrinės kompozitinės medžiagos buvo sėkmingai sukurtos nešiojamiesiems įrenginiams, jų varžinės charakteristikos riboja jų galimybę pagerinti pjezoelektrines galimybes. Į pjezoelektrinius kompozitus galima įterpti laidžias medžiagas, kad padidėtų jų elektrinės charakteristikos, įveikiant šiuos apribojimus.

Dvimatis redukuotas grafeno oksidas (rGO) dažniausiai naudojamas kaip laidžioji medžiaga nešiojamuose įrenginiuose. Jis gali būti maišomas su kitomis medžiagomis, kad pagerintų mechanines ir elektrines savybes.

Todėl rGO įtraukimas į pjezoelektrines medžiagas gali padidinti jų pjezoelektrines charakteristikas. Tačiau rGO redukcijos reakcijos metu susidaro daug defektų, kurie kenkia jo elektronų transportavimo savybėms.

Šie defektai gali labai pakenkti pjezoelektriniams nešiojamiems prietaisams, nes jie trikdo elektrinį lauką. Siekiant kompensuoti sumažėjusias laidžiąsias charakteristikas, azotas gali būti įtrauktas į dvimatį rGO, todėl N-rGO su patobulintomis elektrinėmis savybėmis.

Pjezoelektrinės nanopluošto plėvelės: nešiojamųjų įrenginių pritaikymo ateitis

Pjezoelektrinės nanopluošto plėvelės, pagamintos iš kopolimerų ir keraminių medžiagų, turi įvairių pranašumų, palyginti su įprastiniais kompozitais, įskaitant pritaikomumą ir dielektrines savybes. Nanopluošto plėvelė yra lankstesnė nei kiti kompozitai ir keraminiai polimerai dėl didelio formato santykio.

Nors pjezoelektrinėms nanopluošto plėvelėms, skirtoms nešiojamiesiems įrenginiams sukurti, galima naudoti daug metodų, dažniausiai naudojamas elektros verpimo metodas, nes jis turi keletą pranašumų, palyginti su kitais fiziniais gamybos metodais.

Elektrinis sukimas yra procesas, kurio metu naudojamas elektrinis laukas polimerinių medžiagų, keramikos ir metalų nanopluoštams sukurti. Šis metodas gali sukurti nanopluoštus iš sudėtingų junginių ir dirbti žemoje temperatūroje.

Be to, labai laidūs N-rGO ir pjezoelektriniai hibridiniai nanopluoštai gali būti kruopščiai sujungti paruošimo procedūros metu prieš elektrinį verpimą. Todėl N-rGO legiruotus pjezoelektrinius kompozitinius nanopluoštus, tinkamus įvairiems nešiojamiems prietaisams, galima lengvai pagaminti.

Interdigital elektrodai, skirti nešiojamiesiems įrenginiams

Beveik visos nešiojamųjų prietaisų programos turi planuotojo tipo elektrodų struktūrą, o tradiciniai vertikalaus tipo elektrodai negali būti naudojami naujos kartos nešiojamų įrenginių programose. Gerai žinoma, kad pjezoelektrinės nanopluoštinės plėvelės su planuotojo tipo elektrodais siūlo unikalias elektrines galimybes įvairiems nešiojamiems prietaisams.

Šio tyrimo metu buvo sukurti tarpdigitiniai planuotojo tipo elektrodai ir pritaikyti juos ant N-rGO legiruotų pjezoelektrinių hibridinių nanopluošto plėvelių, skirtų nešiojamiesiems įrenginiams.

Tyrėjai pasirinko sintetinį N-rGO pjezoelektriniams kompozitiniams nanopluoštams praturtinti, nes jis turi didesnį laidumą nei rGO. Azotas yra būtinas norint pašalinti rGO paviršiaus trūkumus. Dėl šio didesnio laidumo pjezoelektrinėse kompozitinėse medžiagose galima pagerinti plūduriuojančių elektrodų savybes.

Tyrėjai naudojo konforminio kartografavimo procedūrą, norėdami išgauti įvairius dielektrinio pralaidumo derinius, modeliuodami ir apskaičiuodami paruoštų elektrodų funkcines dielektrines savybes. Šie elektrodai taip pat buvo naudojami kuriant pritaikomus pjezoelektrinius energijos ištraukiklius nešiojamiems prietaisams.

Svarbios tyrimo išvados

Plūduriuojančio elektrodo charakteristikos pagerino nanopluošto energijos generatorių, sukurtą šiame darbe, ir padidino išėjimo galią. Išėjimo galia buvo optimizuota tobulinant gamybos techniką ir interdigital elektrodų architektūrą. Nustatyta, kad saugomas potencialas, atvirosios grandinės įtampa ir išėjimo galia yra atitinkamai 3,78 V, 12,4 V ir 6,3 μW.

Bendras pjezoelektrinių hibridinių nanopluošto plėvelių dielektrinis laidumas buvo padidintas nuo 8, 2 iki 15, 5, įtraukiant keramiką ir N-rGO laidininkus. Ši padidinta efektyvi dielektrinė konstanta greičiausiai atsiranda dėl padidėjusio elektros srauto intensyvumo dėl didesnio laidumo.

Remiantis šiais rezultatais, galima daryti išvadą, kad tarpdigitiniai elektrodai, sudaryti iš N-rGO legiruotų pjezoelektrinių nanopluošto plėvelių, turi didelį potencialą ateityje naudoti įvairiose nešiojamųjų prietaisų programose.

Nuoroda

Ji, J.-H. ir kt. (2022). Azotu legiruotos redukuotos grafeno oksido pagrindu pagamintos keraminės polimerinės kompozicinės nanopluošto plėvelės, skirtos nešiojamiems prietaisams, sintezė. Mokslinės ataskaitos. Galima rasti adresu: https://www.nature.com/articles/s41598-022-19234-0

Atsakomybės apribojimas: čia išsakytos nuomonės yra autoriaus, išreikštos privačiai, ir nebūtinai atspindi AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, šios svetainės savininko ir operatoriaus, nuomonę. Šis atsakomybės atsisakymas yra šios svetainės naudojimo sąlygų ir sąlygų dalis.