PDMS复合褶皱结构的可控制备及其在柔性传感中的应用探索

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自然界中形式多样的图案给人以美的感受同时又给世界增添了无限的奥秘,同样,在人类的实践过程中,图形的存在也大有用途,不仅能改变材料的表面形貌,甚至能赋予其新的功能属性。同时,柔性电子器件在近几年迅猛发展,质轻、便携、可折叠、可穿戴的电子器件已经极大的革新了人们的传统认知与生活方式,并且仍具有非常大的发展潜力。在此时代背景下,图形化过程作为电子制备过程中的重要步骤,对实现柔性电子器件的高度集成化与结构柔性化具有重大意义,因而,与其相关的新一轮研究热潮应运而生。本文采用一种简便的褶皱制备方法,以褶皱Au/PDMS为例,利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)的优良拉伸性能实现了对于褶皱Au/PDMS材料一系列表面结构性质(如:润湿性、拉曼信号增强、导电性)的可逆调控;间接证明了一种处于Wenzel与Cassie态之间的润湿性过渡状态的存在,同时对于PDMS表面润湿性的调控研究,证明了高聚物在拉伸状态时的有序取向对于其表面接触角存在一定的影响;此外,还研究了不同表面形态对于表面拉曼增强光谱(SERS)及表面导电性质的影响。本论文的正文部分总共分为四章,依次为第一章绪论,第二章PDMS不同褶皱形貌表面的制备,第三章应变对于褶皱结构表面结构性能的调控,第四章结论与展望。主要研究内容及相关结论如下所述:第一章:对当前微结构制备方法、褶皱柔性材料表面性质以及柔性电子器件的发展现状进行了文献综述。第二章:探究了柔性材料衬底表面褶皱制备的不同方法。相关内容如下:(1)采用预拉伸法制备褶皱Au/PDMS表面,并探究了金膜厚度及预应变对其褶皱振幅与周期的影响;(2)探究了其他表面褶皱的制备方法,例如:UV照射改性PDMS表面、模板压印与预拉伸相结合制备二级褶皱表面、甚至采用自然界中的模板制备褶皱PDMS表面,并对其成因及影响因素进行了简单分析。第三章:实现了应变对于褶皱表面结构性质的可逆调控并进行了柔性可穿戴原型器件的应用探索,主要内容包括:(1)褶皱Au/PDMS在施加应变从0到60%的过程中,表面润湿性实现了从疏水性(~130°)到亲水性(~80°)的可逆转变,此转变过程证明了一种“类Cassie”态的临界润湿状态的存在;(2)褶皱Au/PDMS表面对于罗丹明6G分子表面拉曼增强光谱的增强因子可达1.6×103,并且随外加应变的增加增强因子减小;(3)褶皱Au/PDMS表面具有优良的导电性,经100次~30%的应变拉伸循环之后表面导电性仍无明显降低,并且在多种形变状态之下仍能正常工作;(4)实现了应变对于其他褶皱表面润湿性的可逆调控,表明了该方法的简便性与普适性,此外,对于PDMS表面润湿性的可逆调控表明了聚合物中分子链的有序取向对于表面润湿性存在一定的影响;(5)进行了一种柔性可穿戴电子原型器件的应用探索,实现了对不同应变状态、脉搏以及声带震动的有效信号检测。第四章对本论文的主要内容进行了总结概括,并对以后的研究方向进行了规划展望。本论文的创新之处在于:(1)实现了应变对于褶皱Au/PDMS表面结构性质的可逆调控;(2)证明了一种介于Wenzel态与Cassie态之间的临界润湿状态—“类Cassie”态的存在;(3)表明了高分子链的有序取向对于表面润湿性的影响。
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