一種居間薄膜的制備方法、居間薄膜及其納米發(fā)電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種居間薄膜的制備方法，以及根據(jù)制備方法得到的居間薄膜和使用該居間薄膜的納米發(fā)電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電子產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，為其提供電源的可充電電池也在急速的更新?lián)Q代。但是隨著納米傳感器系統(tǒng)的出現(xiàn)及其應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，在微納系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，特別是針對環(huán)境系統(tǒng)或人體系統(tǒng)的持續(xù)探測系統(tǒng)，缺乏持續(xù)供電裝置。納米發(fā)電裝置以其獨(dú)特的自發(fā)電和自驅(qū)動性質(zhì)，可以在納米器件或納米系統(tǒng)裝置中起到關(guān)鍵性的作用，越來越受到研宄人員的關(guān)注。2006年，美國佐治亞理工學(xué)院的王中林教授首次成功設(shè)計出壓電納米發(fā)電機(jī)，為納米領(lǐng)域供電裝置的研發(fā)開拓了思路。之后，隨著各國科研人員的不斷鉆研以壓電效應(yīng)、摩擦效應(yīng)為基礎(chǔ)的納米發(fā)電裝置相繼研制成功。
[0003]以摩擦效應(yīng)為基礎(chǔ)研制出的納米發(fā)電機(jī)，包括第一電極層、居間摩擦層和第二電極層。申請?zhí)枮?01210160542.6的中國發(fā)明專利文獻(xiàn)公開了一種摩擦發(fā)電機(jī)，該摩擦發(fā)電機(jī)居間薄膜具有微納凹凸花紋，研宄表明居間薄膜具有微納凹凸花紋，其組裝的納米摩擦發(fā)電機(jī)輸出電壓和輸出電流明顯高于沒有微結(jié)構(gòu)的居間薄膜組裝的納米發(fā)電機(jī)。該專利文獻(xiàn)公開了一種居間薄膜的制備方法，其步驟為首先制作圖形化的硅模板，使用光刻的方法在表面做出規(guī)則圖形，通過濕刻的工藝進(jìn)行各向異性刻蝕，刻出凹型的四棱錐陳列結(jié)構(gòu)；通過干刻的工藝進(jìn)行各向同性刻蝕出凹形的立方體陣列結(jié)構(gòu)；刻好的模板在丙酮和異丙醇中清洗干凈，在三甲基氯硅烷的氣氛環(huán)境進(jìn)行硅烷化處理?，F(xiàn)有技術(shù)使用高分子聚合物涂布工藝制備居間薄膜，方法為在基材上涂布高分子聚合物。高分子聚合物的涂布工藝為:首先將高聚物前驅(qū)體和固化劑按照比例混合均勻。然后將混合物涂覆于上述制備的硅模板表面，經(jīng)過真空脫氣過程后，采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方式將硅表面多余的混合物去掉，形成一層薄薄的高分子液態(tài)膜。將整個模板在85°C環(huán)境下固化lh，之后一層均勻的具有特定微結(jié)構(gòu)陳列的高分子膜就能從模板上剝離，得到居間薄膜。該方法制作居間薄膜時需采用硅模版，硅模板制作工藝復(fù)雜，成本昂貴，導(dǎo)致居間薄膜的制備工藝復(fù)雜，不適于規(guī)模化生產(chǎn)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是克服上述已有技術(shù)存在的問題，提供一種納米發(fā)電機(jī)居間薄膜的制備方法，該方法工藝簡單，能夠適應(yīng)規(guī)?；纳a(chǎn)。
[0005]本發(fā)明所要解決的另一技術(shù)問題是提供這種納米發(fā)電機(jī)用居間薄膜，該薄膜能夠放大、批量化生產(chǎn)。
[0006]本發(fā)明還要解決的第三個技術(shù)問題是提供一種納米發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)具有較高的輸出電壓。
[0007]解決上述問題所采用的技術(shù)方案為:
一種納米發(fā)動機(jī)用居間薄膜的制備方法，包括以下步驟: a)、在基材薄膜上制備金屬網(wǎng)格，用無水乙醇或丙酮清洗，得到孔徑10-100微米，網(wǎng)線高度2-10微米、網(wǎng)線寬度10-40微米的金屬網(wǎng)格模板；
B、在金屬網(wǎng)格模板上，涂一層由高分子聚合物和固化劑組成的混合物；
C)、在60~100°C下，固化20~60分鐘；
D、剝離；得到居間薄膜。
[0008]所述高分子聚合物為聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚對苯二甲酸乙二醇酯中的一種或幾種；
所述固化劑為硅烷偶聯(lián)劑；
所述高分子聚合物和固化劑的質(zhì)量比為100:1-100:20。
[0009]上述制備方法，所述金屬網(wǎng)格通過鹵化銀曝光顯影的辦法制備。
[0010]上述制備方法，所述金屬網(wǎng)格含有50~100%銀。
[0011]上述制備方法，所述金屬網(wǎng)格橫截面為圓形、正方形、長方形、六角形、三角形。
[0012]上述制備方法，所述高分子聚合物和固化劑的質(zhì)量比為100:5~100:10。
[0013]上述制備方法，所述金屬網(wǎng)格電阻為150±50ι?Ω / 口。
[0014]一種居間薄膜，所述居間薄膜包括本體和凸起部分，居間薄膜的總厚度為50-500微米。
[0015]一種納米發(fā)電機(jī)，所述納米發(fā)電機(jī)包含上述方法制得的居間薄膜。
[0016]上述納米發(fā)電機(jī)，所述納米發(fā)電機(jī)還包含金屬網(wǎng)格電極。
[0017]上述納米發(fā)電機(jī)，所述納米發(fā)電機(jī)依次設(shè)置第一電極層、居間薄膜、第二電極層和支撐層，所述第二電極為金屬網(wǎng)格模板。
[0018]有益效果:
1.本發(fā)明使用金屬網(wǎng)格模板作為居間薄膜的制備模板，代替了現(xiàn)有技術(shù)使用硅片蝕刻作為模板的制備工藝，不需要在硅片上進(jìn)行蝕刻，簡化了居間薄膜的制備工藝，并且制備過程簡單易行，且金屬網(wǎng)格作為模板可以重復(fù)利用；
2.使用鹵化銀乳劑的方法制備金屬網(wǎng)格，金屬網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)和尺寸容易控制，且成型容易控制，所需的制備工具簡單；
3.由于金屬網(wǎng)格具有導(dǎo)電性，本發(fā)明的金屬網(wǎng)格模板還可以作為納米發(fā)電機(jī)的電極使用。
[0019]4.本發(fā)明的納米發(fā)電機(jī)采用金屬網(wǎng)格模板制備的居間薄膜和采用金屬網(wǎng)格模板制備的電極，制備過程更為簡便。
[0020]【附圖說明】:
圖1為本發(fā)明的金屬網(wǎng)格模板的顯微圖像；
圖2為本發(fā)明制備的居間薄膜的顯微圖像；
圖3和圖4為利用本發(fā)明居間薄膜組裝的納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為拱形納米發(fā)電機(jī)示意圖。
[0021 ] 圖中各標(biāo)號表示為:1-第一電極層，2-居間薄膜，3-第二電極，4-支撐層。
【具體實(shí)施方式】
[0022]本發(fā)明的居間薄膜適用于摩擦型納米發(fā)電機(jī)，摩擦型納米發(fā)電機(jī)的一般結(jié)構(gòu)依次為第一電極層1，居間薄膜2、第二電極層3和支撐層4。第一電極、支撐層和居間薄膜構(gòu)成上層，第二電極和支撐層構(gòu)成下層。上下兩層的對應(yīng)的左右兩個邊緣粘合在一起，中間預(yù)留出間隙，間隙為弧形，最大高度為5-20mm。為保證上下層之間的間隙，上層的邊長比下層寬2-5mm,支撐體現(xiàn)使用PET。
[0023]本發(fā)明的居間薄膜的制備方法為:
a)在基材薄膜上制備金屬網(wǎng)格，用無水乙醇或丙酮清洗，得到孔徑10-100微米，網(wǎng)格高度2-10微米、開孔率為50~90%的金屬網(wǎng)格模板；
b)在金屬網(wǎng)格模板上，涂一層由高分子聚合物和固化劑組成的混合物；
c)在60~100°C下，固化20-60分鐘，優(yōu)選80°C下，固化30分鐘；
d)剝離；得到居間薄膜，
所述高分子聚合物為聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯和聚對苯二甲酸乙二醇酯中的一種或幾種；
所述固化劑為硅烷偶聯(lián)劑；本發(fā)明對所述固化劑的來源沒有特殊的限制，采用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的固化劑即可，如可以采用其市售商品，在本發(fā)明的實(shí)施例中，固化劑優(yōu)選使用浙江新安化工集團(tuán)股份有限公司的硅烷偶聯(lián)劑系列產(chǎn)品；所述高分子聚合物和固化劑的質(zhì)量比為100:1?100:20。
[0024]所述基材薄膜可以是聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亞胺、聚乙烯等高分子材料，優(yōu)選聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜，厚度可選用25~175微米厚的PET薄膜，考慮到其同時作為電極支持體時需要一定的挺度，優(yōu)選75~150微米厚的PET薄膜。
[0025]在基材上制備金屬網(wǎng)格得到金屬網(wǎng)格模板可以采用任何公知的方法，優(yōu)選使用鹵化銀乳劑曝光顯影的方法，采用鹵化銀曝光顯影的辦法制備金屬網(wǎng)格，這是由于用該方法制得的金屬網(wǎng)格形狀可控，網(wǎng)格線的寬度和厚度容易控制，開口率容易控制，且方法簡單易行。用鹵化銀曝光顯影的辦法得到銀網(wǎng)格后，可以以得到的金屬網(wǎng)格為模板，通過化學(xué)鍍等方式，在銀網(wǎng)格上鍍制其他金屬，如銅、金等導(dǎo)電性好的金屬，也可以直接作為金屬網(wǎng)格模板。本發(fā)明金屬網(wǎng)格模板需滿足孔徑10-100微米，網(wǎng)格高度2-10微米、開孔率為50~90%的要求。制作居間薄膜時，金屬網(wǎng)格模板的孔對應(yīng)的居間薄膜的凸起部分。若本發(fā)明金屬網(wǎng)格模板只是作為居間薄膜的模板使用，對金屬網(wǎng)格模板的電阻不做過多考慮，若既做為居間薄膜的模板，又作為納米發(fā)電機(jī)的電極使用，本發(fā)明金屬網(wǎng)格模板的表面電阻優(yōu)選150±50ι?Ω/ 口。
[0026]本發(fā)明的金屬網(wǎng)格模板上的金屬網(wǎng)格的橫截面可以為任意形狀，如圓形、正方形、長方形、六角形、三角形，梯形、多邊形和其他不規(guī)則形狀等。
[0027]本發(fā)明的居間薄膜由涂在金屬網(wǎng)格模板上的由液態(tài)高分子聚合物和液態(tài)固化劑組成的混合物固化形成，所述的高分子聚合物為聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚偏氟乙烯(PVDF)，聚甲基丙烯酸甲酯(ΡΜΜΑ)，聚苯乙烯(PS)，聚碳酸酯(PC)，液晶高分子聚合物(LCP)或聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的一種。
[0028]所述的高分子聚合物和固化劑的質(zhì)量比為100:1~100:20，優(yōu)選100:5~100:10。高分子聚合物和固化劑的質(zhì)量比在該范圍內(nèi)，混合物粘度適中，氣泡少，便于涂布，且高分子聚合物固化時間和成膜性好。
[0029]本發(fā)明所述的居間薄膜在溫度控制在60~100°C范圍內(nèi)，干燥30~60分鐘。