一种具有阻变特性的纤维电极及其制备方法

1.本发明属于半导体信息相关技术领域，具体涉及一种具有阻变特性的纤维电极及其制备方法。


背景技术：

2.随着可穿戴电子织物不断迈向多功能化集成，其在健康管理、人机交互以及物联网等诸多领域得到了广泛的应用。其中，信息处理单元是电子织物中连接各个功能器件不可或缺的核心组成部分，能够收集、传递、储存以及处理来自各个功能器件单元的数据并做统筹管理。当前，可穿戴设备中常用的信息处理装置多以具有刚性基底的平面器件为主，而且需要复杂的电路连接，难以同时满足实用性和舒适性的要求。因此，亟需设计与织物交织结构相匹配的高性能柔性信息处理器件。其中，忆阻器具有优异的信息处理能力和独特的交叉阵列器件结构，因而与织物的编织结构有着良好的兼容性，如果将忆阻器中的刚性平面电极替换为具有阻变特性的柔性纤维，将有望构建出柔软透气的织物状忆阻器件，从而取代传统的平面忆阻器件，实现与电子织物等新一代柔性电子器件在结构和制备过程的有机统一，具有重要的应用潜力。
3.忆阻器件的高效工作通常依赖于忆阻活性层内导电细丝的高效形成和离子的快速传输，这意味着，如何在柔性纤维电极表面负载均匀、稳定且厚度在纳米尺度的忆阻活性薄膜(典型地由无机材料组成)，制备出具有优异阻变特性的纤维电极，是实现高性能织物忆阻器的关键。但是，在传统的平面状忆阻器件中，主要通过物理气相沉积、化学气相沉积或者旋涂等方法得到高质量的无机活性膜层，而这并不适用于具有高曲率表面的柔性纤维电极。近年来，在纤维状电子器件领域使用较为广泛的涂敷成膜工艺，由于多步涂敷过程中前驱体溶液再溶解、分散颗粒团聚、咖啡环效应等问题，厚度通常为微米尺度且表面不平整，难以满足高性能织物状忆阻器件对柔性纤维电极的应用要求。此外，通过电化学沉积方法，也较难获得上述高质量忆阻活性层。目前，鲜有具有阻变特性的纤维电极及其制备方法的相关报道。因此，亟需发展出适用于高曲率纤维电极负载忆阻活性材料的方法，获得具有优异阻变特性的纤维电极，从而实现高性能的织物状忆阻器件，为新型柔性信息处理器件的发展提供新思路。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种工艺简单、可控性好、适用范围广的具有阻变特性的纤维电极及其制备方法。
5.本发明的第一个方面公开了一种具有阻变特性的纤维电极的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
6.(1)采用电场辅助组装方法在纤维电极表面沉积活性材料从而制备得到具有阻变特性的纤维电极。
7.优选地，步骤(1)中所述的活性材料为铯铅溴量子点、二氧化钛或氧化锌等带电颗
粒分散溶液中的一种。
8.优选地，所述分散溶液浓度为0.5-2mg/ml。
9.优选地，步骤(1)中所述的纤维电极为金属纤维，如选自铂、金、铜、铝或铁；
10.或者为导电高分子纤维，如选自聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯或聚噻吩；
11.或者为复合导电纤维，如选自炭黑、碳纳米管、碳纤维或石墨烯。
12.优选地，所述的纤维电极直径为20-100微米。
13.优选地，步骤(1)中所述的采用电场辅助组装方法在纤维电极表面沉积活性材料从而制备得到具有阻变特性的纤维电极，具体流程如下：
14.s1:将两根清洗干净后的纤维电极分别与电源正负极相连，相互间隔4-6mm浸泡在均匀分散的活性材料前驱体溶液中；
15.s2:对纤维电极施加10-40v的恒定电压，溶液中的活性材料颗粒在电场作用力的辅助下，5-10min后均匀沉积到纤维电极表面形成高质量的膜层；
16.s3:将表面沉积活性材料的柔性纤维电极在室温下干燥10-20min待用。
17.本发明的第二个方面公开了根据上述方法制备得到的具有阻变特性的纤维电极。
18.本发明的第三个方面公开了一种织物状忆阻器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
19.(1)采用电场辅助组装方法在纤维电极表面沉积活性材料从而制备得到具有阻变特性的纤维电极；
20.(2)制备织物状忆阻器：将步骤(1)制备得到的纤维电极和高分子纤维作为经线，银纤维电极和高分子纤维作为纬线，通过经纬编织得到柔软透气的织物状忆阻器。
21.优选地，步骤(2)中所述的高分子纤维为棉线、尼龙、涤纶或腈纶。
22.优选地，所述的高分子纤维直径为20-100微米。
23.本发明的有益效果是：
24.(1)本发明所制备的织物忆阻器中，每个交织点处的单个忆阻工作单元表现出优异的电学性能，如低的平均开启电压(～0.16v)，良好的循环稳定性(偏差小于8％)，高开关比(＞105)，稳定的数据保持以及柔性透气等优点。
25.(2)该织物忆阻器中工作单元与单元之间性能重现性好，平均开启电压低(～0.18v)，分布范围窄(偏差小于10％)，可有效满足规模化生产和实际应用的需求。
26.(3)本发明所述通过电场辅助组装在纤维电极表面沉积活性材料的方法，能够在高曲率的纤维电极表面高质量且均匀地沉积纳米级活性材料膜层，这一方法广泛适用于其他活性材料和纤维基底，为纤维电子器件的膜层制备提供了新的成膜工艺，也为新型柔性信息处理器件的发展提供了新思路。
附图说明
27.图1为织物忆阻器示意图及照片。其中，a为织物忆阻器示意图，b为单个忆阻工作单元电镜表征，c为织物忆阻器光学照片。
28.图2为采用电场辅助组装方法在纤维电极表面沉积活性材料示意图。
29.图3为铯铅溴量子点忆阻器的电学性能表征。其中，a为循环电流-电压特性曲线，b为数据保持性测试。说明织物忆阻器中单个忆阻工作单元循环稳定性好，平均开启电压仅
为0.16v，分布偏差小于8％，开关比高于105，数据保持时间长达5000s。
30.图4为铯铅溴量子点忆阻器的柔性表征。其中，a为弯曲次数性能图，b为弯曲角度性能图。在进行1000次重复弯曲实验后，织物忆阻器中单个忆阻工作单元高低阻态的阻值几乎没有发生变化，体现出优异的弯曲柔性和机械稳定性。
31.图5为织物状铯铅溴量子点忆阻器中多个工作单元的循环电流-电压特性曲线。说明织物忆阻器中工作单元与单元之间性能重现性好，平均开启电压仅为～0.18v，分布偏差小于10％。
具体实施方式
32.下面结合实施例和附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细描述。以下实施例和附图用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
33.以下通过实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围不限于下述具体实施例。实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
34.本发明中，室温是指环境温度为10℃-30℃。
35.以下实施例中使用的试剂均为外购试剂，其中各种溶剂均购自国药化学试剂有限公司。实施例中各种设备均购自商用设备。
36.实施例1：
37.(1)采用电场辅助组装方法在纤维电极表面沉积活性材料从而制备得到具有阻变特性的纤维电极：将两根20微米的铂(pt)纤维电极在使用前依次用去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗10min，再分别作为正极和负极连接直流电源表，同时浸泡在0.5mg/ml的铯铅溴(cspbbr3)量子点活性材料前驱体溶液中，两极之间相距约5mm。然后，对纤维电极施加20v直流电压，在其表面进行5min的电场辅助组装得到高质量且均匀的cspbbr3量子点活性材料膜层(图2)。最后，将得到的pt/cspbbr3纤维电极在室温下干燥10min待用。
38.(2)制备织物状忆阻器：将步骤(1)制备的pt/cspbbr3纤维电极和棉线作为经线，银纤维电极和棉线作为纬线，通过经纬编织得到柔软透气的织物状忆阻器。所得织物忆阻器中每个交织点处的单个忆阻工作单元循环稳定性好，平均开启电压低，分布偏差小，开关比高，数据保持时间长(图3)。同时，织物忆阻器中单个忆阻工作单元具有优异的柔性，能够承受织物使用过程中可能发生的弯曲变形(图4)。此外，该织物忆阻器中多个工作单元间性能重现性好，平均开启电压低，分布范围窄，能够满足实际应用需求(图5)。
39.实施例2：
40.(1)采用电场辅助组装方法在纤维电极表面沉积活性材料从而制备得到具有阻变特性的纤维电极：将两根50微米的铂(pt)纤维在使用前依次用去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗10min，再分别作为正极和负极连接直流电源表，同时浸泡在0.4mg/ml的二氧化钛(tio2)活性材料前驱体溶液中，两极之间相距约6mm。然后，对纤维电极施加20v直流电压，在其表面进行10min的电场辅助组装得到高质量且均匀的tio2活性材料膜层。最后，将得到的pt/tio2纤维电极在室温下干燥15min待用。
41.(2)制备织物状忆阻器：将步骤(1)制备的pt/tio2纤维电极和棉线作为经线，银纤维电极和棉线作为纬线，通过经纬编织得到柔软透气的织物状忆阻器。
42.实施例3：
43.(1)采用电场辅助组装方法在纤维电极表面沉积活性材料从而制备得到具有阻变特性的纤维电极：将两根100微米的铂(pt)纤维在使用前依次用去离子水、丙酮、异丙醇超声清洗10min，再分别作为正极和负极连接直流电源表，同时浸泡在0.7mg/ml的氧化锌(zno)活性材料前驱体溶液中，两极之间相距约4mm。然后，对纤维电极施加40v直流电压，在其表面进行10min的电场辅助组装得到高质量且均匀的zno活性材料膜层。最后，将得到的pt/zno纤维电极在室温下干燥20min待用。
44.(2)制备织物状忆阻器：将步骤(1)制备的pt/zno纤维电极和棉线作为经线，银纤维电极和棉线作为纬线，通过经纬编织得到柔软透气的织物状忆阻器。
45.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。