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柔性透明雷达-红外兼容隐身超材料设计

燕山大学学报 2022年第2期46卷 142-149页

作者：汪涛何贺贺丁梦迪合肥工业大学微电子学院安徽合肥230601 中国科学技术大学信息科学与技术学院安徽合肥230027

基于透明导电膜氧化铟锡和高透光聚氯乙烯,设计了一种柔性透明雷达-红外兼容隐身的超材料吸收器。采用氧化铟锡容性频率选择表面,实现了雷达波的高效透过和红外频段的低发射。利用表面电流和功率分布探讨了内部吸收机理,提取等效参数揭... 详细信息

基于透明导电膜氧化铟锡和高透光聚氯乙烯,设计了一种柔性透明雷达-红外兼容隐身的超材料吸收器。采用氧化铟锡容性频率选择表面,实现了雷达波的高效透过和红外频段的低发射。利用表面电流和功率分布探讨了内部吸收机理,提取等效参数揭示了拟议结构的单负特性。模拟结果表明,在4.58~28.95 GHz的工作频段内实现了吸收率大于90%的宽带吸波,相对带宽为145.36%。横电和横磁波极化下,吸收率高于90%的稳定入射角分别为60°和65°。此外,由经验公式计算的红外发射率不超过0.361。该设计拥有良好的宽带雷达吸波、低红外发射和柔性透明等特点,在多波段兼容隐身、电磁防护领域具有广阔的应用前景。

关键词：超材料吸收器雷达-红外兼容隐身低发射率柔性透明广角

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柔性透明氧化铪基铁电异质结制备及其性能研究

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柔性透明氧化铪基铁电异质结制备及其性能研究

作者：欧阳阔湘潭大学

学位级别：硕士

柔性电子作为电子器件发展的一门新兴技术，一直具有非常广阔的应用前景，在近几年更是受到了各界广泛的关注。铁电随机存储器作为一种新型非易失性存储器，在未来柔性电子发展道路上占据重要地位，有利于推动柔性存储器技术的发展。另... 详细信息

柔性电子作为电子器件发展的一门新兴技术，一直具有非常广阔的应用前景，在近几年更是受到了各界广泛的关注。铁电随机存储器作为一种新型非易失性存储器，在未来柔性电子发展道路上占据重要地位，有利于推动柔性存储器技术的发展。另外，氧化铪基铁电随机存储器由于其与CMOS工艺兼容、读写速度快等优点，已成为未来铁电随机存储器的重点研究对象。然而，氧化铪基铁电存储器存储窗口不稳定是制约其发展的一个重要瓶颈，实现氧化铪基薄膜铁电相变及电畴可控翻转是解决存储窗口不稳定的重要途径。因此，本工作通过构建独特范德华界面的方式，自下而上对氧化铪基薄膜的铁电相进行调控，并探究范德华界面对氧化铪基铁电异质结的调控机制。具体研究工作可以分为以下三个方面:　　(1)通过射频磁控溅射法在Mica基底上制备了超薄ITO薄膜，并构建范德华界面以调控ITO薄膜的光电性能。实验研究发现，ITO/Mica薄膜具有原子级的表面平整度,ITO薄膜的光学透明度超过98％,电阻率低至1.3×10-4Ω·cm,范德华界面能很好地调节了ITO薄膜的宏观性能。通过XPS测试发现，ITO/Mica中有更多的氧空位，这是因为范德华弱相互作用力导致ITO底部氧原子更容易迁移形成氧空位。　　(2)基于制备好的ITO/Mica基底，通过转移二维h-BN薄膜为Ce∶HfO2薄膜构建范德华界面，采取溶胶-凝胶法在h-BN薄膜上制备Ce∶HfO2铁电薄膜形成异质结。通过表征发现异质结透明度为85％,薄膜均方根粗糙度(RMS)维持在210pm左右。Ce∶HfO2/h-BN/ITO/Mica的2Pr高达为41.5μC/cm2,相对介电常数高达36,并且保持疲劳性能良好，铁电极化在104次电场循环后仍保留85％以上，同时具有极好的畴翻转性能，铁电畴单点相位差接近180°，各项性能均优于Ce∶HfO2/ITO/Mica异质结。　　(3)基于柔性铁电存储器的实际应用，通过对异质结施加不同弯曲应力/应变，研究结果表明，Ce∶HfO2/h-BN/ITO/Mica异质结抗弯曲性能良好，高达±5mm的弯曲半径和超过1000次弯曲后其性能保持稳定。同时，由于范德华界面独特的键合结构、可控搭配、界面光滑、柔性等优势，异质结表现出极强的抗弯曲疲劳性。

关键词：二维材料铁电异质结氧化铪范德华界面柔性透明抗弯曲疲劳性

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柔性透明太赫兹超材料吸波器研究

柔性透明太赫兹超材料吸波器研究

作者：王俊杰南京理工大学

学位级别：硕士

超材料吸波器是一种人工设计的亚波长吸波结构,具有吸收效率高、吸收带宽大、结构厚度薄等优点。柔性透明的宽带太赫兹吸波器在太赫兹调制、太赫兹成像以及太赫兹通信等应用中具有重要价值。本文围绕柔性透明宽带太赫兹超材料吸波器的... 详细信息

超材料吸波器是一种人工设计的亚波长吸波结构,具有吸收效率高、吸收带宽大、结构厚度薄等优点。柔性透明的宽带太赫兹吸波器在太赫兹调制、太赫兹成像以及太赫兹通信等应用中具有重要价值。本文围绕柔性透明宽带太赫兹超材料吸波器的设计与制备工作展开研究,主要工作内容如下:1、宽带太赫兹吸波器的设计通常涉及复杂的嵌套或堆叠谐振结构,本文设计了一种基于圆扇形结构的单层无嵌套柔性透明宽带太赫兹超材料吸波器。该吸波器在0.4 THz-1.04 THz的宽频带范围内具有超过80%的吸收效率,吸收带宽达到了中心频率的88.9%,吸波器的厚度仅为吸收频段最低频率波长的1/15。采用光刻技术制备了样品,使用太赫兹时域光谱仪和紫外分光光度计对吸波器的吸收效率及光学透过率做了实验测试,实验结果验证了设计的准确性。2、从传输线理论和阻抗匹配原理出发,设计了一款基于电感栅格网络结构的柔性透明宽带太赫兹超材料吸波器。该吸波器在0.098 THz-0.353 THz频带范围内具有超过90%的吸收效率。仿真结果表明该吸波器对入射波的极化方式不敏感,且具有良好的斜入射稳定性。采用基于电流体动力学的静电喷墨印刷技术制备了样品,并用太赫兹时域光谱仪进行了实验测试,实验结果验证了电路设计结果和全波仿真结果。

关键词：超材料太赫兹吸波器宽带柔性透明

基于方环结构的柔性透明宽角散射编码超表面设计

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微纳电子技术 2023年第11期60卷 1766-1773页

作者：吴昌峰马瑶曾朝阳陆军工程大学野战工程学院南京210007

设计了一种基于氧化铟锡(ITO)电阻膜的2-bit柔性透明编码超表面。该结构采用电磁层-介质层-反射层的三层设计,选用ITO粉末喷涂在柔性透明的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上作为电磁层,通过激光雕刻技术将ITO层加工成不同尺寸的方环结构,选... 详细信息

设计了一种基于氧化铟锡(ITO)电阻膜的2-bit柔性透明编码超表面。该结构采用电磁层-介质层-反射层的三层设计,选用ITO粉末喷涂在柔性透明的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上作为电磁层,通过激光雕刻技术将ITO层加工成不同尺寸的方环结构,选用柔性透明的聚氯乙烯(PVC)作为介质基板、金属钢板模拟理想导体(PEC)作为反射层,探究该超表面在金属装备表面的电磁衰减特性,样品测试结果显示在450~740 nm波长范围内超表面的透光率达到50%。通过对10~18 GHz电磁频段内的反射相位研究,得到2-bit编码基本单元,利用棋盘排布和随机算法编码优化两种排列方式进行编码,实现Ku波段衰减10 dB的目标。当入射角发生改变时,该结构能在较宽角度下保持良好的衰减效果,在15 GHz频率斜入射时,编码超表面在小于60°范围内双站雷达散射截面(RCS)衰减仍可达到10 dB。

关键词：超表面柔性材料超材料柔性透明宽角散射编码

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基于电阻膜结构的宽带柔性透明超材料吸波器

微纳电子技术 2022年第12期59卷 1271-1277页

作者：杨玉华宋承玮段俊萍张斌珍中北大学仪器与电子学院太原030051

研制了一种基于电阻型表面电材料氧化铟锡(ITO)的柔性透明电磁超材料吸波器,中间介质层选用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)组合而成,谐振结构和底层反射板由ITO构成。设计的超材料吸波器的吸波率峰值可达0.999,吸... 详细信息

研制了一种基于电阻型表面电材料氧化铟锡(ITO)的柔性透明电磁超材料吸波器,中间介质层选用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)组合而成,谐振结构和底层反射板由ITO构成。设计的超材料吸波器的吸波率峰值可达0.999,吸波率约为0.9时的频段能够完全覆盖Ku到U波段,相对带宽为136%。同时超材料吸波器会表现出极化不敏感性以及宽角度入射的吸收特性。结合软件仿真与实验结果,利用电场分布图、谐振层结构特性和叠加结构吸收特性对吸收机理进行了分析,表明电阻膜的稳定阻抗实现了电磁波能量的强欧姆损耗,其中上、下层电阻膜结构分别作用在高频段和低频段,二者相互叠加实现了高效的宽频吸收性能。该吸波器在高温环境透明射频器件领域和常规电磁防护方面有潜在应用价值。

关键词：超材料吸波器宽频吸收欧姆损耗柔性透明电阻膜

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石墨烯的直接图案化制备及其柔性透明传感网络研究

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石墨烯的直接图案化制备及其柔性透明传感网络研究

作者：马艳三南京航空航天大学

学位级别：硕士

近几年,由于石墨烯优异的性能,有关石墨烯的制备方法以及在传感领域的应用得到深入探究,但依旧面临着不少关键的科学难题:如何实现石墨烯的低温可控制备?如何直接在非金属基底上获得高质量石墨烯?对石墨烯进行图案化和功能化?如何将石... 详细信息

近几年,由于石墨烯优异的性能,有关石墨烯的制备方法以及在传感领域的应用得到深入探究,但依旧面临着不少关键的科学难题:如何实现石墨烯的低温可控制备?如何直接在非金属基底上获得高质量石墨烯?对石墨烯进行图案化和功能化?如何将石墨烯应变传感器由实验室应用到实际生活中?本论文探索了在各类基底上直接低温化学气相沉积制备石墨烯的方法,同时通过镓-钨辅助的化学气相沉积法直接在绝缘衬底上制备出了图案化的石墨烯,在此基础上成功构筑了一种三维石墨烯网络应变传感器,测试显示该传感器具有良好的柔性、透明性和应变传感性能。具体研究内容以及结论如下:首先探索了低温无转移制备石墨烯的方法:以液态金属镓为催化剂制备出直径微米级的石墨烯晶核,成功在150℃的低温下使晶核继续生长,获得了片状石墨烯;以铜箔做衬底制备出分布均匀、直径微米级的石墨烯晶核,将带石墨烯晶核的铜箔置于蓝宝石衬底上并滴加液态金属镓,在250℃生长温度下得到了表面覆盖率大于70%的石墨烯层;探索了较低温下石墨微粒在纳米镍膜中扩散形成石墨烯的方法,获得了少量石墨烯片层。既而发展出了以镓-钨作辅助催化剂的化学气相沉积法,成功实现了非金属基底上石墨烯及其图案化结构的直接生长:通过将液态催化剂镓承载于钨箔上,高温下液态镓扩展平铺,获得均匀分布的催化性蒸汽;设计了相应的化学气相沉积装置,利用镓-钨催化直接在多种绝缘衬底(石英、蓝宝石、硅片)上生长出完整覆盖的纳米石墨烯薄膜;通过调整生长时间、压强等条件可以进一步调节纳米石墨烯薄膜的厚度和质量;通过原子力显微镜发现石墨烯由纳米级别的颗粒组成,具有垂直取向。生长15分钟获得的典型石墨烯薄膜,其对应的方阻19.15 kΩsq-1,可见光波长范围内的透光率高达95.5%。在液态催化剂与目标基底间引入掩膜版,能够在生长过程中将掩膜版上的图案直接转移到基底上,直接制备出需要的石墨烯图案,且直接生长出的石墨烯图案具有明显的边界以及较高的均匀性。最后,通过镓-钨辅助化学气相沉积法成功制备了透明度达83%的三维石墨烯网络,以此构筑的柔性应变传感器具有较高的灵敏度(在应变1%.5%时,灵敏度高达25左右)、较快的响应时间为(220 ms)、良好的线性度、较高的循环稳定性(5000次循环下几乎无基点漂移)、较宽的量程(0.15%.5%)。通过扫描电镜表征发现,该器件应变-电阻响应主要由拉伸过程中石墨烯表面产生的大量几乎可完全恢复的微裂纹引起。

关键词：石墨烯非金属基底化学气相沉积图案化柔性透明应变传感器

高比能锌离子混合电容器柔性透明电极加工及性能研究

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高比能锌离子混合电容器柔性透明电极加工及性能研究

作者：刘秀雪湖南大学

学位级别：硕士

柔性电子技术作为颠覆性的全球前沿技术之一,具有柔韧、轻薄、可穿戴、可折叠等特点,在智能穿戴、智能家居、医疗健康等领域有着广泛的应用前景,具有重要的战略意义。柔性透明储能器件作为柔性电子的能量供应单元,对其发展起到至关重要... 详细信息

柔性电子技术作为颠覆性的全球前沿技术之一,具有柔韧、轻薄、可穿戴、可折叠等特点,在智能穿戴、智能家居、医疗健康等领域有着广泛的应用前景,具有重要的战略意义。柔性透明储能器件作为柔性电子的能量供应单元,对其发展起到至关重要的作用。锌离子混合电容器（Zn-ion hybrid supercapacitor,ZHSC）凭借其高安全性、高比能、长循环以及快速充放电等优势成为了人们关注的热点。然而,在现有研究中由于缺少适配的柔性透明电极,导致器件无法兼具高透光率与高面积比容量。此外,在充放电过程中锌金属负极容易发生枝晶生长、腐蚀等副反应,严重影响器件的效能与工作寿命。因此,本文针对上述问题开发出一种适用于ZHSC的柔性透明导电薄膜电极,并对其进行结构设计与性能优化,实现了高比能柔性透明锌离子混合电容器的可靠性制备,主要研究内容如下:（1）本文结合光刻技术与电镀技术,加工系列自支撑柔性透明金属微网栅作为ZHSC的电极。其中,镍金属微网栅轻至0.45 mg cm、薄至5μm、透光率高达87.6%,其轻量化与透明度远远高于其他集流体。此外,锌金属微网栅面密度仅为传统锌箔的1/70,而其光电指标FOM值却可达同等透光率ITO薄膜的120倍以上,远超市场同类产品。组装的ZHSC可实现23.11μWh cm的高能量密度和512μW cm的高功率密度,并展现出长达20000次的长循环性能。最终,由2 M ZnSO/PAM凝胶电解质组装得到柔性透明准固态锌离子混合电容器,展现出高达55.04%的光学透过率和优异的机械柔韧性（经过1000次弯折测试后,容量保持率为93.65%）,另外该器件可驱动电子表工作长达十几小时,为未来便携式可穿戴设备供能器件开发提供新思路。（2）为了解决锌负极不耐弯折、不可拉伸、容易腐蚀等问题,通过设计正弦波网栅结构以及采用柔软透明、高导电的镍金属微网栅作为锌负极集流体,制备出一种更加柔韧、有效拉伸率可达50%的核壳结构NM@Zn负极。进一步开发原位离子交换锌负极表面改性优化策略,相较于未改性的NM@Zn负极,得到的NM@ZnSe负极成核过电位降低了8.3 m V,循环性能提升了5倍。最终基于NM@ZnSe负极组装的ZHSC展现出长达10000圈的循环稳定性,与未改性器件相比工作寿命提高2倍。通过电极微结构设计与表面改性策略为柔性、透明可拉伸储能器件的开发提供了有效设计方案和关键技术支撑。

关键词：柔性电子锌离子混合电容器柔性透明金属微网栅可拉伸电子器件

PEDOT:PSS柔性透明电极的研究以及应用

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PEDOT:PSS柔性透明电极的研究以及应用

作者：吴法霖重庆大学

学位级别：硕士

利用一系列功能墨水和印刷技术来制造电子设备的印刷电子器件的技术正在成为一项新兴技术,因为这种技术易于加工,可进行大规模生产,重量轻和便携式等优点。在这些设备中,至少有一个电极被用来接收光或者发射光。基于印刷技术的电子设备... 详细信息

利用一系列功能墨水和印刷技术来制造电子设备的印刷电子器件的技术正在成为一项新兴技术,因为这种技术易于加工,可进行大规模生产,重量轻和便携式等优点。在这些设备中,至少有一个电极被用来接收光或者发射光。基于印刷技术的电子设备的制造由于其设计灵活性,重量轻和便携性的前所未有的优势而成为新兴技术。氧化铟锡(ITO)作为传统标准的透明电极已被广泛的运用于这些设备,例如有机太阳能电池、发光二极管等电子器件。但是,ITO的机械性能很差,如果弯折它,它就会发生破裂,这造成它在柔性器件上的应用受到了限制。并且ITO中的铟是稀有金属,导致一些光电子器件的成本过高。综上,ITO已经不能满足现在人们对器件在柔性方面的新要求,所以急需找到新的材料来代替它。现在很多的研究者正在研究用石墨烯、薄膜金属、金属网格和碳纳米管等材料来取代ITO。其中,聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)是在高导电高分子中具有潜力的一种新的材料。PEDOT:PSS是一种稳定的悬浮液,该悬浮液可以制备到玻璃基底或者柔性基底上形成一种淡蓝色的透明导电薄膜。此种薄膜不仅易于加工,同时还具有良好的机械性能、较高的透光性好、耐热、绿色环保等优点。但是原始薄膜导电性能低于1S/cm,所以需要找到合适方法来提高它的电导率。大量的研究表明,使用有机酸、无机酸、表面活性剂和盐溶液对PEDOT:PSS进行预处理或者薄膜的后期处理,可以使PEDOT:PSS薄膜电导率提高2-3个数量级。本文主要运用了氯铂酸、二甲基亚砜(DMSO)和乙二醇(EG)对PEDOT:PSS原液进行改性处理,以及研究了将此柔性电极应用于柔性触控屏幕。通过大量的实验,我们找到了最佳的制膜工艺参数,如溶液的搅拌速度和搅拌时间,以及匀胶机的转速问题和加热的温度设定。通过实验数据表明,当用0.035mol/L的氯铂酸对PEDOT:PSS溶液处理之后,通过匀胶机特定转速的匀胶作用,最后用110度温度退火处理的PEDOT:PSS薄膜,可以将薄膜的电导率提高四个数量级。薄膜的电导率达到1194S/cm,PEDOT:PSS薄膜的方块电阻由原来的116KΩ/sq减少到41Ω/sq,在550nm处的透光率为85%。对于导电薄膜在商业中的应用品质因数至少达到35,氯铂酸改性之后PEDOT:PSS薄膜品质因数达到了47。将此导电薄膜制备到玻璃基底上,对薄膜的稳定性能进行了连续一个月的测试,发现其电阻基本不变。通过对薄膜进行不同次数的弯曲,还对薄膜的机械性能进行了测试。通过原子力显微镜、X射线光电子能谱、拉曼和傅氏转换红外线光谱等表征手段分析了PEDOT:PSS薄膜电导率提高的原因。分析表明,电导率的提高和氯铂酸氧化PEDOT有关,PEDOT被氧化使得载流子浓度提高。另外,氯铂酸的掺杂可以降低PEDOT和PSS之间的作用,使得PEDOT和PSS发生相的分离。PEDOT和PSS的分离可以使被PSS包裹住的卷曲的PEDOT链变得更直,使得电荷的传输更加的容易。本文还研究了导电薄膜在柔性触控屏幕的应用,首先研究了柔性基底的制备以及清洗过程。研究了丝网印刷技术的用于柔性导电薄膜的制备方法,通过丝网印刷技术可以得到一张表面粗糙的导电薄膜,其导电线路的电阻为130kΩ/sq。后期通过对原液的改进,使用了硫酸改性的PEDOT:PSS溶液,并且运用了涂布技术制备导电薄膜。通过对薄膜材料的改进和制备工艺的优化,通过涂布技术可以制备出一张均匀的柔性透明导电薄膜。将此薄膜应用于触控屏幕,成功的通过了柔触控屏幕机械性能和稳定性测试。导电薄膜的方块电阻为120Ω/sq,透光率也高达89%。这说明PEDOT:PSS薄膜作为柔性透明电极有很好的应用潜力。

关键词：工艺柔性透明高导电率柔性触控屏

多级微纳结构金属网栅型柔性透明超级电容器研究

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多级微纳结构金属网栅型柔性透明超级电容器研究

作者：刘美嘉苏州大学

学位级别：硕士

全透明柔性储能器件是柔性透明电子设备的重要元件,其电极必须同时具有高比容量、高透光率及优异的机械力学性质,以满足柔性透明电子设备的性能需求。目前报道的柔性透明电极大多性能单一,且制备工艺受限,难以满足柔性透明储能器件对电... 详细信息

全透明柔性储能器件是柔性透明电子设备的重要元件,其电极必须同时具有高比容量、高透光率及优异的机械力学性质,以满足柔性透明电子设备的性能需求。目前报道的柔性透明电极大多性能单一,且制备工艺受限,难以满足柔性透明储能器件对电极的极端要求。本文采用自支撑柔性透明金属网栅结构集流体,通过精确调控其表面多级微纳结构,以诱导电化学活性材料的原位可控生长,构筑多级结构自支撑柔性透明储能材料/金属网栅复合电极,可突破传统电极在高容量、高透光性与机械力学性能方面的矛盾与限制。通过系统研究自支撑金属网栅电极的结构设计和制备、表面多级微纳结构的构筑及其对活性材料生长的调控机制、以及电化学性能提升机理等创新方案,探究微观机制与宏观储能行为之间的内在关联,最终获得兼具高透光性、优异电化学及机械力学性能的超级电容器电极与器件,为推动柔性透明储能器件的实现提供更多思路和依据。本文的主要内容有:(1)多级微纳结构金属网栅电极结构及电化学特性仿真分析。首先采用Auto-CAD 设计不同结构和不同线宽的 Ni 金属网格结构,并分析这些结构在特定尺寸下的底面积、表面积、体积和占空比的大小,进一步结合空气压力和气流条件,确定最优化的电极结构参数。此外,采用电学仿真分析Ni金属网格电极的电流分布特性,为后续多级微纳结构金属网栅电极的构筑提供理论依据。(2)采用图案化光刻技术和选择性电沉积工艺实现了自支撑Ni金属网格的制备,该电极在可见光波段光学透过率可达90%以上。之后在上述自支撑Ni金属网格表面原位电沉积导电聚合物(PEDOT),系统研究了复合电极PEDOT@Ni的电化学特性,该复合电极的面电容达到4.8 mF/cm2,在循环10000次后仍具有98%的电容保持率。(3)多级微纳结构金属网栅基超级电容器构建,为获得性能更优异的柔性透明超级电容器,本文通过调控微纳结构获得了比表面积更大的多级“珊瑚状”导电电极,其微结构分布可诱导PEDOT电化学活性材料的原位可控生长,并精确调控PEDOT的微观形貌,可构筑高性能柔性透明PEDOT@Ni复合电极。Ni金属网格上生长“珊瑚状”Ni层调控,以及后续PEDOT沉积时的表面调控,在两者微纳结构调控的协同作用下,可使复合电极面电容提升196%(面电容9.4 mF/cm2)以上。并以此多级微纳结构为基础,构建全固态柔性透明超级电容器,面电容达1.95mF/cm2,且在10000次循环后电容保持率仍在95%以上。本文所使用的PEDOT具有稳定的化学特性,超高的导电率赋予PEDOT快速离子传输性能,在自支撑金属网格上开发多级微纳米结构可以增加有效表面积并缩短离子和电子的扩散途径,本文制备的多级微纳结构复合PEDOT@Ni电极柔性透明超级电容器在柔性储能领域中具有独特的优势,能够为未来柔性超级电容器的发展提供一种新的设计思路。

关键词：柔性透明超级电容器图案化光刻选择性电沉积