Applikasjoner for bærbare enheter har innledet en ny æra av menneske-datamaskin-interaksjon med en rekke formål, underliggende konsepter og former. Disse enhetene har utbredt bruk innen medisinske og helsemessige områder som fysiologisk signalvurdering, friidrett og forurensningsdeteksjon.
Studie: Syntese av en nitrogendopet redusert grafenoksidbasert keramisk polymerkompositt nanofiberfilm for brukbare enheter. Bildekreditt: magiske bilder/Shutterstock.com
Å utvikle en effektiv elektrode med optimal dielektrisk permittivitet for brukbare enheter er imidlertid fortsatt en stor utfordring.
En fersk studie publisert i Vitenskapelige rapporter løser dette problemet ved å lage en piezoelektrisk kompositt nanofiberfilmbasert elektrode for nye bruksområder for bærbare enheter.
Materialer for brukbare enheter: Oversikt og utfordringer
Piezoelektriske kompositter basert på polymermaterialer og keramikk har fått betydelig interesse for brukbare enheter på grunn av deres utmerkede mekaniske og elektriske egenskaper, som tilpasningsevne, dielektriske egenskaper og spenst. De elektriske egenskapene til ubehandlede materialer kan forbedres ved å inkorporere piezoelektrisk keramikk i komposittmaterialer.
Selv om piezoelektriske komposittmaterialer har blitt utviklet for brukbare enheter, begrenser deres resistive egenskaper deres evne til å forbedre piezoelektriske evner. Ledende materialer kan introduseres i piezoelektriske kompositter for å øke deres elektriske egenskaper, og overvinne disse begrensningene.
Todimensjonalt redusert grafenoksid (rGO) brukes ofte som et ledende stoff i brukbare enheter. Det kan blandes med andre materialer for å forbedre mekaniske og elektriske kvaliteter.
Følgelig kan inkorporering av rGO i piezoelektriske materialer øke deres piezoelektriske egenskaper. Imidlertid dannes det mange defekter under reduksjonsreaksjonen til rGO, noe som kompromitterer elektrontransportegenskapene.
Disse defektene kan være svært skadelige for piezoelektrisk-baserte brukbare enheter siden de forstyrrer det elektriske feltet. For å kompensere for de reduserte ledende egenskapene, kan nitrogen inkorporeres i todimensjonal rGO, noe som resulterer i N-rGO med forbedrede elektriske egenskaper.
Piezoelektriske nanofiberfilmer: Future of Wearable Device Applications
Piezoelektriske nanofiberfilmer laget av kopolymer og keramiske materialer har forskjellige fordeler i forhold til konvensjonelle kompositter, inkludert tilpasningsevne og dielektriske egenskaper. En nanofiberfilm er mer fleksibel enn andre kompositter og keramiske polymerer på grunn av dets store sideforhold.
Selv om mange teknikker kan brukes til å lage piezoelektriske nanofiberfilmer for brukbare enheter, er elektrospinningsmetoden ofte brukt fordi den gir flere fordeler i forhold til andre fysiske produksjonsmetoder.
Elektrospinning er en prosess som bruker et elektrisk felt til å lage nanofibre av polymere materialer, keramikk og metaller. Denne metoden kan lage nanofibre fra kompliserte forbindelser og fungere ved lave temperaturer.
Videre kan sterkt ledende N-rGO og piezoelektriske hybrid nanofibre kombineres grundig under forberedelsesprosedyren før elektrospinning. Følgelig kan N-rGO-dopet piezoelektriske kompositt-nanofibre som er egnet for ulike bruksområder for bærbare enheter, enkelt fremstilles.
Interdigitale elektroder for brukbare enheter
Nesten alle brukbare enheter har en planner-type elektrodestruktur, og tradisjonelle vertikale elektroder kan ikke brukes i neste generasjons brukbare enheter. Det er veletablert at piezoelektriske nanofibrøse filmer med elektroder av planner-type tilbyr unike elektriske muligheter for et bredt spekter av brukbare enheter.
Denne studien skapte interdigitale planner-type elektroder og brukte dem på N-rGO-dopet piezoelektriske hybrid nanofiberfilmer for brukbare enheter.
Forskerne valgte den syntetiske N-rGO for å berike piezoelektriske kompositt nanofibre fordi den har høyere ledningsevne enn rGO. Nitrogen er avgjørende for å eliminere feil fra rGO-overflaten. Som et resultat av denne høyere konduktansen kan de flytende elektrodeegenskapene i piezoelektriske komposittmaterialer forbedres.
Forskerne brukte den konforme kartleggingsprosedyren for å trekke ut ulike kombinasjoner av dielektrisk permittivitet ved å simulere og beregne de funksjonelle dielektriske egenskapene til de klargjorte elektrodene. Disse elektrodene ble også brukt til å utvikle tilpasningsdyktige piezoelektriske energiuttrekkere for brukbare enheter.
Viktige funn av studien
De flytende elektrodeegenskapene forbedret den nanofiberbaserte kraftgeneratoren som ble opprettet i dette arbeidet og forbedret utgangseffekten. Utgangseffekten ble optimalisert ved å foredle produksjonsteknikken og den interdigitale elektrodearkitekturen. Lagret potensial, åpen kretsspenning og utgangseffekt ble funnet å være henholdsvis 3,78 V, 12,4 V og 6,3 μW.
Den totale dielektriske permittiviteten til de piezoelektriske hybrid nanofiberfilmene ble økt fra 8,2 til 15,5 ved å inkludere keramikk og N-rGO-ledere. Denne forbedrede effektive dielektriske konstanten skyldes mest sannsynlig økt elektrisk fluksintensitet som et resultat av større konduktans.
Basert på disse resultatene er det plausibelt å konkludere med at interdigitale elektroder sammensatt av N-rGO-dopet piezoelektriske nanofiberfilmer har et høyt potensial for bruk i en rekke bruksområder for bærbare enheter i fremtiden.
Referanse
Ji, J.-H. et al. (2022). Syntese av en nitrogen-dopet redusert grafenoksid-basert keramisk polymer kompositt nanofiberfilm for brukbare enheter. Vitenskapelige rapporter. Tilgjengelig i: https://www.nature.com/articles/s41598-022-19234-0