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May 18, 2024

ウェアラブルデバイス用途向けの窒素ドープ還元酸化グラフェンベースのセラミックポリマー複合ナノファイバーフィルムの合成

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15583 (2022) この記事を引用 この研究では、窒素ドープ還元グラフェン酸化物を導入することによって圧電複合ナノファイバーフィルムを製造しました

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15583 (2022) この記事を引用

本研究では、エレクトロスピニングプロセスを利用して、P(VDF-TrFE)ポリマーとBiScO3-PbTiO3セラミック複合材料に導電性材料として窒素ドープ還元酸化グラフェンを導入することにより、圧電複合ナノファイバーフィルムを作製した。 還元プロセス中に形成された欠陥を除去または補償するために、rGO に窒素をドープ/置換しました。 エレクトロスピニングプロセスを使用して、自己分極条件下で圧電複合ナノファイバーフィルムを抽出しました。 インターデジタル電極は、フレキシブル エナジー ハーベスタに適用される電気機械エネルギーを収集するためのプランナー タイプのエナジー ハーベスタを作成するために使用されました。 すだれ状電極を備えた圧電複合体から、等角写像法により抽出された実効誘電率。 P(VDF-TrFE) 圧電複合ナノファイバーフィルムに BS-PT セラミックスと N-rGO 導体を導入することにより、実効誘電率が 8.2 から 15.5 に改善されました。 この改善された実効誘電率は、おそらく、導電率の増加による電束密度の増加によるものと考えられます。 この薄い複合ナノファイバーフィルムを使用して製作されたインターデジタル電極は、ウェアラブルデバイス用途向けに設計およびテストされました。 櫛型電極を備えた複合ナノファイバーベースのエネルギーハーベスターに 350 N の外部機械力を 0.6 Hz の速度で加えたところ、ピーク電圧と電流はそれぞれ 13 V と 1.25 μA でした。 デバイス製造を最適化することにより、開放電圧、蓄積電圧、生成出力はそれぞれ 12.4 V、3.78 V、6.3 μW となりました。

ポリマーやセラミックスをベースとした圧電複合材料は、柔軟性、圧電性、堅牢性などの優れた電気的および機械的特性により注目を集めています1、2、3。 一般に、圧電ポリマーは主に PVDF および P(VDF-TrFE) 材料をベースとしています 4,5。 圧電複合構造を作成するために圧電セラミックを追加することで、それらの電気的特性を強化できます。 圧電複合材料は実現されていますが、その抵抗挙動により圧電特性の改善には限界があります。 これらの制限を克服するために、圧電複合材料に導電性材料を追加して電気的特性を向上させることができます。 二次元 (2D) rGO は、電気的および機械的特性を向上させるために他の成分と容易に混合できる導電性材料として広く使用されています 6、7、8。 したがって、rGO を PVDF や P(VDF-TrFE) などの圧電ポリマーに導入すると、圧電特性が向上する可能性があります 9,10。 ただし、rGO の還元プロセス中に多くの欠陥が誘発され、電子輸送特性が妨げられる可能性があります。 これらの欠陥は電界を乱すため、圧電アプリケーションにとって非常に有害となる可能性があります11、12。 rGO は、その高い電気伝導性と柔軟性により、二次元機能デバイスの応用について広く研究されています 13,14。 ただし、還元プロセスに起因する欠陥により、rGO の電気的特性が低下します。 導電特性の低下を克服するために、二次元 rGO に N がドープ/置換されました。 N のドーピング/置換により rGO の欠陥が克服され、導電率が向上します6。

ポリマーとセラミック成分をベースにした圧電ナノファイバーフィルムは、他の複合構造と比較して、柔軟性や圧電性など、いくつかの利点を備えています13,15。 ナノファイバーフィルムは、他の複合材料やセラミック材料と比べてアスペクト比が高いため、優れた柔軟性を持っています。 エレクトロスピニングプロセスは、信頼性の高いナノファイバーおよび複合ナノファイバー構造を製造するために設計および採用されました。 エレクトロスピニングは、電場を適用することによってポリマー、セラミック、金属のナノファイバーを生成する技術です。 このプロセスは複雑な分子からナノファイバーを形成でき、低温で操作できます16、17。