CN110164693A - 驻极电极及其制备方法、驻极装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种驻极电极及其制备方法、驻极装置。其中，该驻极电极为柔性的导电纳米棒阵列，所述导电纳米棒阵列包括：柔性高分子薄膜衬底；纳米棒阵列，形成于柔性高分子薄膜衬底之上，包含若干呈阵列分布的纳米棒；以及导电层，覆盖于纳米棒阵列之上，两个相邻纳米棒上覆盖的导电层之间存在距离。本公开的驻极电极在低电压驱动下就可以实现尖端放电，产生电晕放电现象，且制备工艺简单；驻极装置能够成功实现低电压驱动强电场输出，驱动电路装置简单，能耗低，而且还可以进行高温驻极；电极材料用料少，成本低；柔性电极材料可弯曲；同时实现了低碳环保的理念。
Description
技术领域
本公开属于驻极技术领域，涉及一种驻极电极及其制备方法、驻极装置。
背景技术
驻极体具有体电荷的特性，其电荷不同于摩擦起电，既出现在驻极体表面，又存在于驻极体内部，在电子材料领域逐渐显示出应用潜力，由于驻极体可以提供一个稳定的电压，因此可以作为良好的直流电压源，应用于电子器件和电工测量仪表等方面，高分子聚合物驻极体的发现和使用，是声电换能材料的一次巨大变革，利用其可以制成电机、高压发生器、引爆装置、空气过滤器、逻辑电路中的寻址选择开关、声全息照相用换能器等，具有较大的潜在应用价值。
将驻极材料制成驻极体的装置为驻极装置，目前市场上驻极装置不少，但都需要极高的电压才能使得空气电离而实现驻极，能耗高，不够节能环保、绿色低碳；同时高电压电源需要的装置驱动电路复杂、笨重，因此，有必要提出一种能够实现低电压驱动强电场输出、布线工艺简单、节能环保的驻极装置。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种驻极电极及其制备方法、驻极装置，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种驻极电极，该驻极电极为柔性的导电纳米棒阵列，所述导电纳米棒阵列包括：柔性高分子薄膜衬底；纳米棒阵列，形成于柔性高分子薄膜衬底之上，包含若干呈阵列分布的纳米棒；以及导电层，覆盖于纳米棒阵列之上，两个相邻纳米棒上覆盖的导电层之间存在距离。
在本公开的一些实施例中，纳米棒阵列的密度介于104mm-2～107mm-2之间。
在本公开的一些实施例中，纳米棒的直径介于90nm～110nm之间；和/或纳米棒的长度介于1μm～20μm之间。
在本公开的一些实施例中，柔性高分子薄膜衬底的材料为如下材料中的一种：PTFE、Kapton、FEP、PMMA、PS、以及PET。
在本公开的一些实施例中，导电层的厚度介于100nm～200nm之间。
在本公开的一些实施例中，纳米棒阵列与柔性高分子薄膜衬底的材料相同，由柔性高分子薄膜经刻蚀后得到一体化的柔性高分子薄膜衬底与纳米棒阵列。
根据本公开的另一个方面，提供了一种驻极电极的制备方法，包括：在柔性高分子薄膜衬底上制作纳米掩膜；对带有纳米掩膜的柔性高分子薄膜衬底进行刻蚀处理，得到纳米棒阵列；以及在纳米棒阵列的表面沉积导电材料，得到柔性的导电纳米棒阵列。
在本公开的一些实施例中，柔性高分子薄膜衬底的材料为如下材料中的一种：PTFE、Kapton、FEP、PMMA、PS、以及PET；和/或柔性高分子薄膜衬底的厚度介于50μm～100μm之间；和/或纳米掩膜的材料为如下材料中的一种或几种：Au、Pt、Ti、以及Al；和/或纳米掩模的厚度介于5 nm～10nm之间。
在本公开的一些实施例中，刻蚀处理采用电感耦合反应离子刻蚀的方式进行，刻蚀速率介于300nm/min～400nm/min之间。
根据本公开的又一个方面，提供了一种驻极装置，该驻极装置的驻极电极为本公开提到的任一种驻极电极。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的驻极电极及其制备方法、驻极装置，具有以下有益效果：
采用柔性的导电纳米棒阵列作为驻极电极，纳米棒阵列的平均直径在百纳米的量级，纳米棒排列的阵列密度约为107mm-2的量级，这样由于电极的直径细、电极之间的间隙小，那么在低电压(0～1500V)的作用下，纳米棒阵列各电极间隙间电场就可达几十兆伏每米甚至更高，远远超过空气击穿电压2×106V/m的量级，因此在低电压驱动下就可以实现尖端放电，产生电晕放电现象；由本公开的驻极电极构成的驻极装置能够成功实现低电压驱动强电场输出，驱动电路装置简单，能耗低，而且还可以进行高温驻极；电极材料用料少，成本低；柔性电极材料可弯曲；同时实现了低碳环保的理念。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的驻极装置的结构示意图。
图2为根据本公开一实施例所示的驻极电极的结构示意图。
图3为根据本公开一实施例所示的驻极电极的制备方法流程图。
图4为如图3所示的驻极电极的制备方法各步骤对应的结构示意图。
【符号说明】
10-柔性高分子薄膜衬底；30-导电层；
20-纳米棒阵列；21-纳米棒。
具体实施方式
本公开提供了一种驻极电极及其制备方法、驻极装置，通过采用柔性的导电纳米棒阵列作为驻极电极，在低电压驱动下就可以实现尖端放电，产生电晕放电现象；由本公开的驻极电极构成的驻极装置能够成功实现低电压驱动强电场输出，驱动电路装置简单，能耗低，而且还可以进行高温驻极；电极材料用料少，成本低；柔性电极材料可弯曲；同时实现了低碳环保的理念。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种驻极装置。
图1为根据本公开一实施例所示的驻极装置的结构示意图。图2为根据本公开一实施例所示的驻极电极的结构示意图。
参照图1和图2所示，本公开驻极装置的驻极电极为柔性的导电纳米棒阵列，其中，柔性的导电纳米棒阵列，包括：柔性高分子薄膜衬底10；纳米棒阵列20，形成于柔性高分子薄膜衬底10之上，包含若干呈阵列分布的纳米棒21；以及导电层30，覆盖于纳米棒阵列之上，两个相邻纳米棒21上覆盖的导电层30之间存在距离。
参照图1所示，本公开的驻极装置中，驻极电极为柔性的导电纳米棒阵列，该驻极电极的导电纳米棒阵列正对已接地的驻极样品放置，另一端接上低压电晕放电电源，实现对样品的驻极。该驻极装置能够实现低电压高效电场驻极，能耗低，电极材料用料少，成本低，迎合了低碳环保的理念。
现有的驻极电极的材料为金属材料，将金属制成针尖形状，进行阵列排布，在外加强电压的作用下实现驻极功能，具有高耗能、驱动电路复杂、笨重等缺点，而本公开提出采用柔性的纳米棒阵列作为驻极电极，一方面，可以通过调控制备工艺实现对纳米棒的直径、长度以及该纳米棒阵列的密度、面积等参数的调控，使得纳米棒的直径很细，约在百纳米的量级，纳米棒阵列的密度很高，约为107mm-2的量级，在低电压驱动下就可以实现尖端放电；并且电极材料用料少，成本低，柔性的电极可以实现弯曲，应用场景广泛；以及还可以调控柔性纳米棒阵列的面积，将其面积做大，使得该纳米棒阵列产生较为均匀且稳定的电场，实现对具有大面积的样品的驻极操作，并且在驻极装置中不需要加入现有的栅极网来保证电场和电荷的均匀性、稳定性。
另外，如图1所示，本公开的驻极装置还可以与加热装置联用，实现对样品的高温驻极处理，拓宽了驻极条件和应用场景。
柔性的导电纳米棒阵列20中纳米棒21的直径、长度以及该纳米棒阵列20的密度、面积等参数可以根据实际需要进行调控。
本实施例中，柔性的导电纳米棒阵列的面积为4cm×4cm，即柔性高分子薄膜衬底10的面积为4cm×4cm；对于大面积的导电纳米棒阵列来说，可以产生较为均匀且稳定的电场，其面积大于10cm×10cm，优选范围为：10cm×10cm～15cm×15cm，该大面积的导电纳米棒阵列作为驻极电极，在驻极装置中不需要设置栅极网。
本实施例中，纳米棒阵列的密度介于104mm-2～107mm-2之间，优选在 107mm-2的量级；纳米棒的直径介于90nm～110nm之间，优选平均直径为100nm；纳米棒的长度由制备工艺中ICP刻蚀时间决定，刻蚀速率大致的比例为300nm/min～400nm/min，本实施例中纳米棒的长度可达几微米到几十微米的量级，比如：1μm～20μm。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种驻极电极的制备方法，该驻极电极为柔性的导电纳米棒阵列。
图3为根据本公开一实施例所示的驻极电极的制备方法流程图。图4 为如图3所示的驻极电极的制备方法各步骤对应的结构示意图。
参照图3和图4所示，本公开的驻极电极的制备方法，包括：
步骤S302：对柔性高分子薄膜衬底的表面进行清洗干燥处理；
本步骤S302中的柔性高分子薄膜材料为制备导电纳米棒阵列的基础材料，包括但不限于如下材料中的一种或几种：PTFE(聚四氟乙烯)、Kapton (聚酰亚胺)、FEP(聚全氟乙丙烯)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PS (聚苯乙烯)、或PET(聚对苯二甲酸乙二酯)等。本实施例中，柔性高分子薄膜衬底的厚度介于50μm～100μm之间。
本实施例中，选取厚度为100μm、面积为4cm×4cm的PTFE薄膜材料进行表面清洗干燥处理，清洗干燥过程为：依次用甲醇，异丙醇和去离子水进行清洗，然后用氮气吹干，得到表面处理后的PTFE薄膜，如图 4中(a)所示。
步骤S304：在表面处理后的柔性高分子薄膜衬底上制作纳米掩膜；
本实施例中，纳米掩膜的材料可选但不限于如下材料：Au、Pt、Ti、或Al等，这里以在表面处理后的PTFE上溅射一层几纳米的Au颗粒作为示例，如图4中(b)所示，优选的，纳米掩模的厚度约为5nm～10nm。一方面，纳米掩膜增加柔性高分子薄膜的粗糙度，一方面该层很薄的纳米掩膜作为下一步刻蚀的掩膜层。
步骤S306：对带有纳米掩膜的柔性高分子薄膜衬底进行刻蚀处理，得到纳米棒阵列；
本实施例中，刻蚀处理采用电感耦合反应离子刻蚀(Coupled plasma reaction-ion etching，ICP-IRE)的方式，在ICP腔室中分别引入Ar、O2、和CF4气体，气体的流量对应分别为15sccm、15sccm、和35sccm，腔室中的压力为15.0mTorr，运行时的温度为55.0℃，等离子体加速度 (plasma-ion acceleration)为100W，电源功率为400W。
其中，得到的纳米棒阵列的密度和纳米棒的长度是由纳米掩模的厚度以及ICP刻蚀时间共同决定的。
通过实验我们发现，当纳米掩模厚度小于5nm时，纳米棒阵列的密度介于104mm-2到107mm-2之间，同时阵列密度随着纳米掩模厚度的增加而增加；当纳米掩模的厚度大于5nm时，纳米棒阵列的密度能够保持一致，基本在107mm-2的量级。本实施例中，优选纳米掩模的厚度约为5 nm～10nm，则得到的纳米棒阵列的密度很高，为107mm-2的量级。
本实施例中，刻蚀出来的纳米棒阵列中的纳米棒尺寸比较均匀，其平均直径保持恒定，大约为100nm。
纳米棒的长度由ICP刻蚀时间决定，刻蚀速率大致为300nm/min～400 nm/min，当刻蚀30min时，纳米棒的长度可以达到10μm左右。
大面积纳米棒阵列的获得通过选择大面积的柔性高分子薄膜衬底和更大的ICP腔室进行刻蚀得到。本实施例中，柔性高分子薄膜衬底的面积为4cm×4cm，属于一般尺寸大小；对于大面积的导电纳米棒阵列来说，可以产生较为均匀且稳定的电场，其面积大于10cm×10cm，优选范围为： 10cm×10cm～15cm×15cm，该大面积的导电纳米棒阵列作为驻极电极，在驻极装置中不需要设置栅极网，因此根据实际需要制作大面积纳米棒阵列时，可以通过选择大面积柔性高分子薄膜衬底和更大的ICP腔室尺寸实现。
本实施例中，柔性高分子薄膜衬底经过ICP刻蚀后得到纳米棒阵列，结构如图4中(c)所示。
步骤S308：在纳米棒阵列的表面沉积导电材料，得到柔性的导电纳米棒阵列；
本步骤S308中，对ICP处理后的PTFE纳米棒阵列表面进行磁控溅射，镀100nm～200nm的导电材料，比如：Cu、Ag，Al等导电性良好的金属材料，但导电层的材料不限于此。本实施例中，在ICP处理后的PTFE 纳米棒阵列表面镀上150nm的Cu，如图4中(d)所示。
经过步骤S302～步骤S308制得的PTFE薄膜表面的导电纳米棒阵列中，纳米棒的平均直径约为100nm，阵列密度约为107mm-2，由于间隙小，直径细，那么在低电压的作用下，通常为0～1500V，导电纳米棒阵列间隙间电场就可达几十兆伏每米甚至更高，而空气击穿电压只需要2×106V/m。同时由于纳米棒自身的直径只有100nm的量级，所以在低电压(0～1500V) 下就可以实现尖端放电，产生电晕放电现象。电晕放电现象产生的大量带电离子在外加电场作用下高速冲向阳极，阳极附近的样品会受到带电离子的作用而带电，当样品的表面积累一层带电离子的时候，带电离子与样品表面会发生电荷和能量的转移，电荷被待驻极样品内部的各种陷阱捕获，实现驻极，离子被中和之后返回空气中。
综上所述，本公开提供了一种驻极电极及其制备方法、驻极装置，通过采用柔性的导电纳米棒阵列作为驻极电极，纳米棒阵列的平均直径在百纳米的量级，纳米棒排列的阵列密度约为107mm-2的量级，这样由于电极的直径细、电极之间的间隙小，那么在低电压(0～1500V)的作用下，纳米棒阵列各电极间隙间电场就可达几十兆伏每米甚至更高，远远超过空气击穿电压2×106V/m的量级，因此在低电压驱动下就可以实现尖端放电，产生电晕放电现象；由本公开的驻极电极构成的驻极装置能够成功实现低电压驱动强电场输出，驱动电路装置简单，能耗低，而且还可以进行高温驻极；电极材料用料少，成本低；柔性电极材料可弯曲；同时实现了低碳环保的理念。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。当然，根据实际需要，本公开的驻极电极及其制备方法、驻极装置还包含其他的工艺和步骤，由于同本公开的创新之处无关，此处不再赘述。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种驻极电极，该驻极电极为柔性的导电纳米棒阵列，所述导电纳米棒阵列包括：
柔性高分子薄膜衬底；
纳米棒阵列，形成于柔性高分子薄膜衬底之上，包含若干呈阵列分布的纳米棒；以及
导电层，覆盖于纳米棒阵列之上，两个相邻纳米棒上覆盖的导电层之间存在距离。
2.根据权利要求1所述的驻极电极，其中，所述纳米棒阵列的密度介于104mm-2～107mm-2之间。
3.根据权利要求1或2所述的驻极电极，其中：
所述纳米棒的直径介于90nm～110nm之间；和/或
所述纳米棒的长度介于1μm～20μm之间。
4.根据权利要求1至3任一项所述的驻极电极，其中，所述柔性高分子薄膜衬底的材料为如下材料中的一种：PTFE、Kapton、FEP、PMMA、PS、以及PET。
5.根据权利要求1至4任一项所述的驻极电极，其中，所述导电层的厚度介于100nm～200nm之间。
6.根据权利要求1至5任一项所述的驻极电极，其中，所述纳米棒阵列与柔性高分子薄膜衬底的材料相同，由柔性高分子薄膜经刻蚀后得到一体化的柔性高分子薄膜衬底与纳米棒阵列。
7.一种驻极电极的制备方法，包括：
在柔性高分子薄膜衬底上制作纳米掩膜；
对带有纳米掩膜的柔性高分子薄膜衬底进行刻蚀处理，得到纳米棒阵列；以及
在纳米棒阵列的表面沉积导电材料，得到柔性的导电纳米棒阵列。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其中：
所述柔性高分子薄膜衬底的材料为如下材料中的一种：PTFE、Kapton、FEP、PMMA、PS、以及PET；和/或
所述柔性高分子薄膜衬底的厚度介于50μm～100μm之间；和/或
所述纳米掩膜的材料为如下材料中的一种或几种：Au、Pt、Ti、以及Al；和/或
所述纳米掩模的厚度介于5nm～10nm之间。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其中，所述刻蚀处理采用电感耦合反应离子刻蚀的方式进行，刻蚀速率介于300nm/min～400nm/min之间。
10.一种驻极装置，该驻极装置的驻极电极为权利要求1至6任一项所述的驻极电极。
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