CN101626062B - 有机复合材料二极管 - Google Patents

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Abstract

一种有机复合材料二极管，其包括：一个有机复合材料层，所述有机复合材料层包括均匀分散的多个碳纳米管；以及一个第一电极与一个第二电极间隔设置于所述有机复合材料层，并分别与所述有机复合材料层电连接；其中，所述有机复合材料二极管进一步包括一压力层设置于所述有机复合材料层表面并覆盖部分有机复合材料层，所述第一电极与压力层所覆盖的有机复合材料层电连接，所述第二电极与压力层未覆盖的有机复合材料层电连接。所述有机复合材料二极管的参数可以通过压力调制，具有较宽的使用温度范围，还具有柔韧性，并且可以应用于柔性电路。

Description

有机复合材料二极管
技术领域
本发明涉及一种有机复合材料二极管，尤其涉及含碳纳米管的有机复合材料二极管。
背景技术
碳纳米管(CNTs)自90年代初由日本学者Iijima发现以来(Iijima S.，Nature，1991，354(7)，56-58)，立即引起科学界及产业界的极大重视，是近年来国际科学研究的热点。碳纳米管由六元环组成的石墨片层结构卷曲而形成的同心圆筒构成，随直径和螺旋性的不同，碳纳米管可呈现金属或半导体特性。碳纳米管具有优异的力学性能，强度比钢高100倍，比重只有钢的1/6。此外碳纳米管具有的吸波特性，可用于电磁屏蔽或吸波材料等领域。特别地，碳纳米管/聚合物复合材料自Ajayan等首次报道以来，已经成为世界科学研究的热点(Ajayan P.M.，et al，Science，1994，265，1212-1214)。碳纳米管与聚合物的复合可以实现组元材料的优势互补或加强，从而最经济有效地利用碳纳米管的独特性能，也是碳纳米管稳定化的有效途径。同时。碳纳米管的加入，可以增强复合材料的导电性和力学性能。
现有技术提供一种含碳纳米管的有机复合材料构成的有机复合材料二极管，所述有机复合材料二极管包括一阴极电极，一阳极电极及位于阴极电极和阳极电极之间的一个含碳纳米管的有机复合材料薄膜和一个含有金属导电粒子的有机复合材料薄膜，含碳纳米管的有机复合材料薄膜构成P型半导体层，而含金属导电粒子的有机复合材料薄膜构成N型半导体层，所述阴极电极同含碳纳米管的有机复合材料薄膜电连接，所述阳极电极同含金属粒子的有机复合材料薄膜电连接。所述含碳纳米管的有机复合材料薄膜中包括多个均匀分散的碳纳米管。
上述有机复合材料二极管具有以下缺点：第一，所述有机复合材料二极管采用双层有机复合材料结构制造，由于含碳纳米管的有机复合材料薄膜与含金属导电粒子的有机复合材料薄膜的柔韧性不相同，使得所述有机复合材料二极管的柔韧性不均匀。第二，由于所述有机复合材料二极管采用双层有机复合材料结构制造，使得所述有机复合材料二极管的厚度较大。第三，所述含碳纳米管的有机复合材料构成的二极管在成形之后，其参数(如电流、电压)为固定值，具有参数不可调节的缺点。
有鉴于此，提供一种柔韧性均匀、厚度小，以及参数可调的有机复合材料二极管实为必要。
发明内容
一种有机复合材料二极管，其包括：一个有机复合材料层，所述有机复合材料层包括均匀分散的多个碳纳米管；以及一个第一电极与一个第二电极间隔设置于所述有机复合材料层，并分别与所述有机复合材料层电连接；其中，所述有机复合材料二极管进一步包括一压力层设置于所述有机复合材料层表面并覆盖部分有机复合材料层，所述第一电极与压力层所覆盖的有机复合材料层电连接，所述第二电极与压力层未覆盖的有机复合材料层电连接。
相较于现有技术，本技术方案实施例提供的有机复合材料二极管具有以下优点：第一，所述有机复合材料层包括均匀分散的多个碳纳米管，而高分子材料对温度不敏感，因此，所述有机复合材料二极管可以在较大的温度范围内(-50摄氏度～200摄氏度)使用。第二，由于碳纳米管具有较高的柔韧性，因此所述含有碳纳米管的有机复合材料层具有较好的柔韧性，且所述有机复合材料二极管仅包括一层有机复合材料层，相较于两层有机复合材料层具有较好的柔韧性，有利于提高所述有机复合材料二极管具有的柔韧性，从而可以较好地应用于柔性的电路。第三，所述有机复合材料二极管，包含压力层的特殊结构，可以通过调节施加在压力层上的压力调节所述有机复合材料二极管的参数。
附图说明
图1是本技术方案实施例有机复合材料二极管的俯视结构示意图。
图2是图1沿II-II线的剖视结构示意图。
图3是本技术方案实施例有机复合材料二级管工作时的结构示意图。
图4是本技术方案实施例有机复合材料二极管的电压/电流曲线示意图。
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本技术方案实施例提供的有机复合材料二极管。
请参阅图1及图2，本技术方案实施例提供一种有机复合材料二极管100，所述有机复合材料二极管100包括：一压力层12，一绝缘层14，一有机复合材料层16，一第一电极102及一第二电极104。所述有机复合材料二极管100设置于一绝缘基板18表面。具体地，所述有机复合材料二极管100中的有机复合材料层16设置于绝缘基板18表面。所述绝缘层14设置于有机复合材料层16远离绝缘基板18的表面。所述压力层12设置于所述绝缘层14表面并对应部分所述有机复合材料层16设置。绝缘层14设置于有机复合材料层16与压力层12之间。所述第一电极102与第二电极104间隔设置，并分别与有机复合材料层16电连接，所述第一电极102与压力层12所覆盖的有机复合材料层16电连接，所述第二电极104与未覆盖压力层12的有机复合材料层16电连接。
所述有机复合材料层16包括高分子材料164以及均匀分散于其中的多个碳纳米管162。所述高分子材料164为聚乙烯乙二醇、聚酯、硅胶系列、硅橡胶系列、环氧树脂系列、缺氧胶系列和压克力胶系列中的一种或多种。本实施例中，所述高分子材料164为硅橡胶。所述高分子材料164对温度敏感性差，因此该有机复合材料层的工作温度范围较大，在-50摄氏度～200摄氏度之间。所述碳纳米管162为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。当所述碳纳米管162为单壁碳纳米管时，其直径为0.5纳米～50纳米；所述碳纳米管162为双壁碳纳米管时，其直径为1纳米～50纳米；所述碳纳米管162为多壁碳纳米管时，其直径为1纳米～200纳米。本实施例中，所述碳纳米管162为单壁碳纳米管，所述碳纳米管162的直径为0.5纳米～10纳米，长度为100纳米～1厘米。所述有机复合材料层16的厚度为100纳米～1厘米，本实施例中，所述有机复合材料层16的厚度为0.2毫米。
所述有机复合材料层16为半导体性，所述有机复合材料层16中的碳纳米管162的质量百分比含量为0.001％～30％，优选为0.01％～4％。本实施例中，碳纳米管162的质量百分含量为1％。
所述绝缘层14设置于压力层12与有机复合材料层14之间，所述绝缘层14为一可选择部分，所述绝缘层14可以更好的确保压力层12与有机复合材料层14之间电绝缘。所述绝缘层14的面积大于压力层12的面积，所述绝缘层14的厚度为10纳米～1厘米，所述绝缘层14的材料为柔性绝缘材料，如树脂或绝缘塑料。本实施例中，所述绝缘层14的厚度为200纳米，材料为绝缘塑料。
所述压力层12设置于所述绝缘层14的表面，并对应部分所述有机复合材料层16。所述压力层12的作用是将压力传递给压力层12对应的部分有机复合材料层16，从而使得所述部分有机复合材料层16受到压力作用发生形变。当所述有机复合材料二极管100不包括绝缘层14时，所述压力层12可直接设置于所述有机复合材料层16的表面，并部分覆盖所述有机复合材料层16。所述压力层12的厚度为10纳米～1厘米，所述压力层12的材料为具有较高抗压能力的材料。所述压力层12的材料为金属、玻璃、陶瓷或高分子聚合物。本实施例中，所述压力层12的厚度为500纳米，材料为陶瓷。
所述第一电极102与第二电极104间隔设置于有机复合材料层16中，所述第一电极102的一端设置于压力层12所覆盖的有机复合材料层16中，所述第一电极102的另一端向外延伸并从有机复合材料层16中露头，以实现与外界电连接。所述第二电极104一端设置于压力层12未覆盖的有机复合材料层16中，所述第二电极104另一端向外延伸并从有机复合材料层16中露头，以实现与外界电连接。所述第一电极102与第二电极104为线状或薄片状，厚度为10纳米～0.5厘米，材料可以为导电金属或其合金，如铜、铝、钯、铂、金或其任意组合的合金。本实施例中，所述第一电极102及第二电极104为金属线，厚度为200纳米，材料为金。所述第一电极102及第二电极104可以在有机复合材料层16固化过程中，间隔设置在所述有机复合材料层16的内部。由于固化过程中，有机复合材料层16表面张力的作用，使得所述有机复合材料层16中的碳纳米管162分布较多，表面分布较少。因此，所述第一电极102和第二电极104设置于有机复合材料层16中，使得第一电极102及第二点极104同有机复合材料层16的电接触比较充分。
可以理解，所述第一电极102与第二电极104也可以设置于有机复合材料层16的表面，所述第一电极102与所述压力层12所覆盖的有机复合材料层16电连接，所述第二电极104与所述压力层12未覆盖的有机复合材料层16电连接。
所述绝缘基板18的面积大于或等于所述有机复合材料层16的面积，所述绝缘基板18起支撑所述有机复合材料层16的作用。所述绝缘基板16的厚度为200纳米～2毫米，所述绝缘基板18的材料不限，为玻璃、石英、陶瓷、金刚石等硬性材料或塑料、树脂等柔性材料。本实施例中，所述绝缘基板18的厚度为0.5毫米，材料为陶瓷。
请参阅图3，本技术方案实施例提供的有机复合材料二极管100在使用时，通过第一电极102与第二电极104将所述有机复合材料二极管100接入电路，在压力层12的表面均匀施加一定的压力，在压力的作用下，压力层12覆盖的部分有机复合材料层16中形成一压力作用区166，所述压力作用区166的面积与压力层12的面积大小相等。在施加于压力层12的压力作用下，所述压力作用区166中的碳纳米管162将会发生形变，从而使得压力作用区166中的碳纳米管162的带隙增大，进一步使得压力作用区166的带隙增大；然而，在有机复合材料层16中的压力作用区166之外的区域，由于其中的碳纳米管162没有受到压力的作用，因此，压力作用区166之外的碳纳米管162的带隙保持不变，从而使得压力作用区166之外的有机复合材料层16的带隙保持不变。从而使得压力作用区166中碳纳米管162的带隙较压力作用区166之外的碳纳米管162的带隙宽。因此，在压力作用下，所述有机复合材料层16中将形成带隙不同的两个区域，即压力作用区166以及压力作用区166之外的区域，从而在两个区域的交界处将会形成一个异质结。当第一电极102以及第二电极104之间施加交流电时，由于在压力的作用下有机复合材料层16中形成的异质结的存在，电流由压力作用区166到压力作用区166外方向的电流导通，而压力作用区166到压力作用区166方向的电流不能导通，从而使得所述有机复合材料层16可实现电流的单向导通，从而实现有机复合材料二极管100的整流作用。
请参阅图4，所述图为本技术方案实施例有机复合材料二极管100的伏安曲线。本技术方案提供的有机复合材料二极管100的开启电压为0伏特～1.5伏特。从图4可以看出，随着压力层12上所施加压力的增大，所述二极管100的开启电压减小，而所述有机复合材料二极管100的伏安曲线也随着压力的增大而变陡；所述有机复合材料二极管100的反向击穿电压大于4伏特，随压力的增加所述有机复合材料二极管100的反向击穿电压也在增大。因此，可以通过控制施加于所述二极管100的压力层12上的压力来调制所述有机复合材料二级管100的电流、电压，从而实现压力对有机复合材料二极管100的调制。所述有机复合材料二极管100的工作温度为-50摄氏度～200摄氏度。
本技术方案实施例提供的有机复合材料二极管100具有以下优点：第一，所述有机复合材料二极管100的电压、电流特性可以由压力调制，从而可以更好的应用于电子领域。第二，由于碳纳米管具有较高的柔韧性，因此所述含有均匀分散碳纳米管的有机复合材料层16具有较好的柔韧性，且所述有机复合材料二极管100仅包括一层有机复合材料层162，相较于两层有机复合材料层具有较好的柔韧性及较薄的厚度，有利于提高所述有机复合材料二极管100的柔韧性，从而可以较好地应用于柔性的电路。第三，所述有机复合材料层16包括碳纳米管162与高分子材料164，而碳纳米管162与高分子材料164对温度不敏感，因此，采用所述材料的有机复合材料二极管100可以在较大的温度范围内(-50摄氏度～200摄氏度)使用。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (15)

1.一种有机复合材料二极管，其包括：
一有机复合材料层，所述有机复合材料层包括均匀分散的多个碳纳米管；以及
一个第一电极与一个第二电极间隔设置于所述有机复合材料层，并与所述有机复合材料层电连接；
其特征在于，所述有机复合材料二极管进一步包括一压力层设置于所述有机复合材料层表面并覆盖部分有机复合材料层，所述第一电极与压力层所覆盖的有机复合材料层电连接，所述第二电极与未覆盖压力层的有机复合材料层电连接，使用时，压力作用于压力层，在所述有机复合材料层中形成一压力作用区以及压力作用区之外的区域，在两个区域的交界处形成一个异质结。
2.如权利要求1所述的有机复合材料二极管，其特征在于，所述有机复合材料层的厚度为100纳米～1厘米。
3.如权利要求1所述的有机复合材料二极管，其特征在于，所述有机复合材料层包括高分子材料，碳纳米管均匀分散于所述高分子材料中，所述高分子材料为聚酯、硅胶、硅橡胶、环氧树脂、缺氧胶和压克力胶中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的有机复合材料二极管，其特征在于，所述压力层的材料为金属、玻璃、陶瓷或高分子聚合物，厚度为10纳米～1厘米。
5.如权利要求1所述的有机复合材料二极管，其特征在于，所述有机复合材料二极管进一步包括一绝缘层，所述绝缘层设置于压力层与有机复合材料层之间，所述绝缘层的材料为绝缘塑料，厚度为10纳米～1厘米。
6.如权利要求1所述的有机复合材料二极管，其特征在于，所述第一电极与第二电极设置于所述有机复合材料层中或所述有机复合材料层表面。
7.如权利要求1所述的有机复合材料二极管，其特征在于，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。
8.如权利要求7所述的有机复合材料二极管，其特征在于，所述碳纳米管为单壁碳纳米管，直径为0.5纳米～10纳米，长度为100纳米～2厘米。
9.如权利要求1所述的有机复合材料二极管，其特征在于，所述有机复合材 料层中碳纳米管的质量百分比为0.001％～30％。
10.如权利要求1所述的有机复合材料二极管，其特征在于，所述有机复合材料二极管设置在一绝缘基板表面，所述绝缘基板的材料为玻璃、陶瓷或塑料，厚度为200纳米～2毫米。
11.如权利要求1所述的有机复合材料二极管，其特征在于，所述有机复合材料二极管的工作温度为-50摄氏度～200摄氏度。
12.如权利要求1所述的有机复合材料二极管，其特征在于，所述有机复合材料二极管的开启电压为0～1.5伏特。
13.如权利要求1所述的有机复合材料二极管，其特征在于，所述有机复合材料层包括高分子材料，碳纳米管均匀分散于所述高分子材料中，所述高分子材料为聚乙烯乙二醇。
14.如权利要求1所述的有机复合材料二极管，其特征在于，所述有机复合材料二极管进一步包括一绝缘层，所述绝缘层设置于压力层与有机复合材料层之间，所述绝缘层的材料为树脂，厚度为10纳米～1厘米。
15.如权利要求1所述的有机复合材料二极管，其特征在于，所述有机复合材料二极管设置在一绝缘基板表面，所述绝缘基板的材料为石英或树脂，厚度为200纳米～2毫米。 
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