CN114804016A - 利用感应耦合等离子干法刻蚀提高摩擦电输出性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用感应耦合等离子干法刻蚀提高摩擦电输出性能的方法。用感应耦合等离子体干法刻蚀仪对膜的上表面进行刻蚀处理，使得在膜的上表面形成纳米纹理化结构；再用感应耦合等离子体刻蚀仪对膜的上表面进行沉积处理，使得在纳米纹理化结构上表面沉积一层氟碳层。本发明是通过感应耦合等离子体干法刻蚀处理法，在PVC薄膜表面构建纳米纹理结构以及覆盖一层氟碳物质，提高薄膜的摩擦电输出性能。
Description
技术领域
本发明涉及了一种基于感应耦合等离子干法刻蚀技术提高聚氯乙烯(PVC)膜摩擦电输出性能的方法，其特征在于：
背景技术
摩擦纳米发电机(TENG)，因输出功率大、转换效率高、材料选择广、制作简易、成本低、质量轻等优势，在能量收集和信息传感等领域展现出巨大的应用前景，并且近年来受到人们广泛关注和深入研究。
然而，面向实际应用，摩擦纳米发电机的机电转换效率仍有待提升，以满足高效率能量收集和高灵敏信息传感的需求。基于表面电荷效应，TENG的摩擦电输出性能与材料的电荷密度成二次曲线关系，通过合理的材料选择和纳米工程可以显著提高材料的摩擦电输出性能。因此对现有常用的制备TENG的材料进行改性以提高其摩擦电输出性能将具有极其重要的意义。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种基于感应耦合等离子干法刻蚀技术提高聚氯乙烯(PVC)膜摩擦电输出性能的方法，创新在于通过刻蚀增大PVC的表面粗糙度同时覆盖一层氟碳材料在膜表面，提高PVC膜的摩擦电输出性能。
本发明通过感应耦合等离子体干法刻蚀处理法，在PVC薄膜表面构建纳米纹理结构以及覆盖一层氟碳物质，提高薄膜的摩擦电输出性能。
本发明所要解决的技术问题，通过以下技术方案予以实现：
用感应耦合等离子体干法刻蚀仪对聚氯乙烯膜的上表面进行刻蚀处理一段时间，使得在聚氯乙烯膜的上表面形成纳米纹理化结构，增大PVC膜的表面粗糙度，能提高聚氯乙烯膜的表面电荷承载能力；再用感应耦合等离子体刻蚀仪对聚氯乙烯膜的上表面进行沉积处理一段时间，使得在纳米纹理化结构上表面沉积一层氟碳层，从而提高摩擦电输出性能。
所述的膜为聚氯乙烯膜(PVC膜)。
方法包括以下步骤：
(1)聚氯乙烯膜的清洗：取聚氯乙烯膜置于无水乙醇中超声清洗5-10min，然后用去离子水超声清洗5-10min，再经过干燥得到干净的聚氯乙烯膜；
(2)将清洗干净的聚氯乙烯膜放置于用于等离子刻蚀承载载具里，送入等离子干法刻蚀设备腔体；
(3)对等离子干法刻蚀设备进行抽真空，维持压力稳定，过程分为刻蚀和沉积两个阶段；
(4)完成后控制等离子干法刻蚀设备达到常压状态，取出聚氯乙烯膜。
所述(3)中的两个阶段具体为：
第一阶段：通入15sccm的O2，45sccm的CHF3，控制ICP功率均为100W，刻蚀时间为10min；
第二阶段：通入50sccm C4F8，控制ICP功率设为100W，沉积时间为10s。
本发明的摩擦负电性材料在摩擦纳米发电机中的应用。
本发明是针对目前摩擦纳米发电机TENG设计中常用的一种摩擦负电性材料PVC，提出了一种提高聚氯乙烯膜PVC摩擦电输出性能的方法，以在高性能摩擦纳米发电机和物联网和新能源领域中实际应用。
本发明的优点是：
本发明先通过等离子刻蚀技术对PVC膜的上表面进行刻蚀处理一段时间，使得在PVC膜上表面形成纳米纹理化结构，刻蚀之后的PVC膜粗糙度增加，比表面积变大，表面电荷承载能力增大，进而摩擦电输出性能变大；
本发明后通过等离子刻蚀对PVC膜的上表面进行沉积处理一段时间，使得在PVC膜纳米纹理化结构上表面沉积一层氟碳层。在薄膜表面覆盖一层氟碳层，能够提高膜的得电子能力，摩擦电负性增加。
附图说明
图1是6种实施例制备的PVC膜的SEM图；图2是6种实施例制备的PVC膜白光干涉仪成像图，表征膜的粗糙度；
图3是6种实施例制备的PVC膜白光干涉仪三维成像图，表征膜的厚度；
图4是6种实施例制备的PVC膜的粗糙度和厚度；
图5是6种实施例制备的PVC膜的XPS表征图；
图6是6种实施例制备的PVC膜的EDS表征图；
图7是实施例1-5通过等离子干法刻蚀制备的PVC膜的碳氟比图；
图8是用实施例1-6制备的PVC膜构建的垂直-接触分离模式TENG的示意图；
图9是用实施例1-6制备的PVC膜构建的垂直-接触分离模式TENG输出的电压信号。
图10是棉花纤维毛刷基摩擦纳米发电机的结构示意图。
图11是未处理的control(图11a-c)和ICP-3(图11d-e)刻蚀的PVC膜制备的TENG在不同转速下的转移电荷量,输出电流和输出电压。
图12是未处理的PVC膜(control)制备的TENG在不同匹配电阻下的输出功率密度。
图13是ICP-3刻蚀处理的PVC膜制备的TENG在不同匹配电阻下的输出功率密度。
图14是棉花纤维毛刷基摩擦纳米发电机的立体图。
表1是6种实施例的具体处理工艺以及制备膜的厚度和粗糙度统计。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
具体实施中，设置一个对照组(Control)和5个实验组(ICP-1，ICP-2，ICP-3，ICP-4和ICP-5)。
实验组的处理制备过程如下：
(1)PVC膜的清洗：取PVC薄膜置于无水乙醇中超声清洗5-10min，然后用去离子水超声清洗5-10min，再经过干燥得到干净的PVC薄膜；
(2)将清洗干净的PVC膜放置于用于等离子刻蚀承载载具里，送入等离子干法刻蚀设备腔体；
(3)对设备进行抽真空，维持压力稳定，过程分为两个阶段：
实验组的PVC膜刻蚀分为两个阶段，详见表1：
表1
其中
第一阶段：通入15sccm O2，45sccm CHF3，ICP功率均为100W，ICP-1，ICP-2，ICP-3，ICP-4和ICP-5的RF功率分别为10W、20W、25W、30W、40W，刻蚀时间为10min；
第二阶段：通入50sccm C4F8，ICP功率设为100W，ICP-1，ICP-2，ICP-3，ICP-4和ICP-5的RF功率分别为10W、20W、25W、30W、40W，刻蚀时间为10s；
对照组(Control)在两个阶段都不通气体作为对照组；5个实验组(ICP-1，ICP-2，ICP-3，ICP-4和ICP-5)分别分为2个处理阶段(参考表1)，5个实验组的区别是第二阶段的RF处理功率不同。
(4)完成刻蚀后，使设备达到常压状态；
(5)完成刻蚀工艺，取出PVC膜。
对照组的PVC膜在经过上述步骤(1)的洗净后不做任何处理。
本发明的实施例如下：
实施例1：
所述的一种基于感应耦合等离子干法刻蚀技术提高聚氯乙烯(PVC)膜摩擦电输出性能的方法包括如下步骤：
步骤S1：PVC膜的清洗：取裁剪成4*4cm的PVC薄膜置于无水乙醇中超声清洗10min，然后用去离子水超声清洗10min，再经过干燥得到干净的PVC薄膜；
步骤S2：将清洗干净的PVC膜放置于用于等离子刻蚀承载载具里，送入等离子干法刻蚀设备腔体；
步骤S3：对设备进行抽真空，维持压力稳定，刻蚀过程分为两个阶段。第一阶段：通入15sccm O2，45sccm CHF3，ICP功率为100W，RF功率为10W，刻蚀时间为10min；第二阶段：通入50sccm C4F8，ICP功率设为100W，RF功率为10W，刻蚀时间为10s；
步骤S4：完成刻蚀后，使设备达到常压状态；
步骤S5：完成刻蚀工艺，取出刻蚀后的PVC膜ICP-1。
实施例2：
实施例2的步骤与实施例1的步骤相同，其区别在于：
步骤S3中，RF功率为20W；
步骤S5中，取出刻蚀后的PVC膜ICP-2；
实施例3：
实施例2的步骤与实施例1的步骤相同，其区别在于：
步骤S3中，RF功率为25W；
步骤S5中，取出刻蚀后的PVC膜ICP-3；
实施例4：
实施例2的步骤与实施例1的步骤相同，其区别在于：
步骤S3中，RF功率为30W；
步骤S5中，取出刻蚀后的PVC膜ICP-4；
实施例5：
实施例2的步骤与实施例1的步骤相同，其区别在于：
步骤S3中，RF功率为40W；
步骤S5中，取出刻蚀后的PVC膜ICP-5；
实施例6：
取裁剪成4*4cm的PVC薄膜置于无水乙醇中超声清洗10min，然后用去离子水超声清洗10min，再经过干燥得到干净的PVC膜作为对照组，命名为control膜。
实施例1-6制备的6种PVC膜的扫描式电子显微镜(SEM)表征图如图1所示。未经处理的control膜表面有一些随机分布的微裂纹，这些微裂纹是在运输和清洗过程中产生的。经过ICP刻蚀后，这些微裂纹逐渐消失，在薄膜上形成了分布均匀的纳米凸点。随着RF功率的增大，纳米凸点的长径比逐渐增大，逐渐形成明显的纳米结构，这是由于PVC材料结晶区域的不同造成的。PVC包括结晶区和非晶区，ICP在不同的区域有不同的刻蚀速率。低结晶度的非晶区在高水平的刻蚀时优先解离，而晶区表现出低水平的刻蚀，导致在表面形成纳米材料。随着射频功率的增加，表面粗糙度增加，刻蚀更加均匀。当功率超过25W时，刻蚀功率过大，纳米凸点发生纠缠和聚集、均匀性变差。结果表明，ICP刻蚀PVC薄膜的表面形貌发生了变化，ICP-3呈现出更均匀致密的纳米织构结构。
通过白光干涉仪对实例1-6的PVC膜进行成像分析(图2-4)：等离子刻蚀薄膜(ICP1-5)的算术平均粗糙度(Ra)和平均厚度(T)随射频功率的增加先减小后增大。对于未经处理的薄膜(control)，Ra最小，T最大，表明用等离子干法刻蚀方法成功地刻蚀了PVC薄膜，刻蚀后的膜相较于未处理的膜粗糙度增加，比表面积变大，表面电荷承载能力变大。
通过X射线光电子能谱(XPS，图5)和能谱(EDS，图6)对实施例1-6的6种PVC膜进行表征，结果发现等离子刻蚀除了在薄膜表面获得粗糙的纳米织构结构外，ICP-刻蚀方法还引入了F元素和相应的官能团，如图5所示，未经处理的薄膜(对照)主要由C组成，少量O可能是在树脂合成或薄膜加工过程中引入的。对于ICP刻蚀薄膜，随着射频功率的增加，F含量逐渐增加，而C含量和C/F比最低(ICP-3，21.56％)，表明在此过程中引入了最高的元素F含量(图7)。结果表明，ICP-3刻蚀PVC薄膜的F元素含量最高，摩擦电负性最大。
在实施例1-6制备的6种PVC膜背后贴上铜电极，并与铜箔组成垂直接触-分离模式的TENG(图8)，从上下两个铜箔上引出两根导线分别连接万用表的两端，控制在TENG上施加相同的力，用万用表记录TENG输出的电信号(图9)。结果表明等离子刻蚀处理后的PVC膜均比未处理的膜制备的TENG输出电压高，说明等离子刻蚀可以有效提升PVC膜的摩擦电性能。其中ICP-3膜制备的TENG输出电压最高，说明ICP-3的刻蚀参数下刻蚀的PVC膜摩擦电性能最好。
实施例7：
制备棉花纤维毛刷基摩擦纳米发电机，具体结构如图10和图14：包含转子1、定子2、铜电极3、摩擦电负性材料4和棉花纤维毛刷5；转子1位于定子2内，定子2内周面覆盖设有铜电极3，转子1外周面至少一处设置有摩擦电负性材料4，摩擦电负性材料4和铜电极3不接触、具有空气间隙6；定子2内周面还设有至少一处植物纤维毛刷5。其中摩擦电负性材料用未处理的PVC膜control。
用静电计测试未处理的PVC膜制备的TENG在不同转速下的转移电荷量，输出电流和电压如图11a-c所示。在不同匹配电阻下的输出功率密度如图11所示,其中ICP-3刻蚀PVC膜的最大功率密度为0.33W/m2。
实施例8：
制备棉花纤维毛刷基摩擦纳米发电机，具体结构如图10和图14：包含转子1、定子2、铜电极3、摩擦电负性材料4和植物纤维毛刷5；转子1位于定子2内，定子2内周面覆盖设有铜电极3，转子1外周面至少一处设置有摩擦电负性材料4，摩擦电负性材料4和铜电极3不接触、具有空气间隙6；定子2内周面还设有至少一处植物纤维毛刷5。其中摩擦电负性材料用ICP-刻蚀的PVC膜。
用静电计测试control膜制备的TENG在不同转速下的转移电荷量，输出电流和电压如图11d-e所示。在不同匹配电阻下的输出功率密度如图12所示，其中ICP-3刻蚀PVC膜的最大功率密度为1.14W/m2，相较于未处理的PVC膜，TENG的输出功率密度提升了4倍左右。因此，通过刻蚀处理的PVC膜可以有效提升膜的摩擦电负性，提升TENG的输出功率密度。
Claims (6)
1.一种利用感应耦合等离子干法刻蚀提高摩擦电输出性能的方法，其特征在于：用感应耦合等离子体干法刻蚀仪对膜的上表面进行刻蚀处理，使得在膜的上表面形成纳米纹理化结构；再用感应耦合等离子体刻蚀仪对膜的上表面进行沉积处理，使得在纳米纹理化结构上表面沉积一层氟碳层。
2.根据权利要求1所述的一种利用感应耦合等离子干法刻蚀提高摩擦电输出性能的方法，其特征在于：所述的膜为聚氯乙烯膜。
3.根据权利要求2所述的利用感应耦合等离子干法刻蚀提高摩擦电输出性能的方法，其特征在于：方法包括以下步骤：
(1)聚氯乙烯膜的清洗：取聚氯乙烯膜置于无水乙醇中超声清洗5-10min，然后用去离子水超声清洗5-10min，再经过干燥得到干净的聚氯乙烯膜；
(2)将清洗干净的聚氯乙烯膜放置于用于等离子刻蚀承载载具里，送入等离子干法刻蚀设备腔体；
(3)对等离子干法刻蚀设备进行抽真空，维持压力稳定，过程分为刻蚀和沉积两个阶段；
(4)完成后控制等离子干法刻蚀设备达到常压状态，取出聚氯乙烯膜。
4.根据权利要求3所述的利用感应耦合等离子干法刻蚀提高摩擦电输出性能的方法，其特征在于：所述(3)中的两个阶段具体为：
第一阶段：通入15sccm的O2，45sccm的CHF3，控制ICP功率均为100W，刻蚀时间为10min；
第二阶段：通入50sccm C4F8，控制ICP功率设为100W，沉积时间为10s。
5.一种摩擦负电性材料，其特征在于：采用权利要求1-4任一所述方法制备获得。
6.权利要求5所述的一种摩擦负电性材料的应用，其特征在于：在摩擦纳米发电机中的应用。
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