一种柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜及其制备方法和应用，涉及半导体材料技术领域。通过选择金属钽尺寸、预处理金属钽改善其对金刚石的附着能力、再将其作为基底材料，利用金属钽良好的弯曲性能和稳定的化学性质，从而制备出可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜。经上述简单、便捷的制备方法得到的钽基掺硼金刚石薄膜，可以兼顾柔性可弯曲功能和优异的电化学性能；以此组装而成的柔性电容器器件在电流密度为1mA cm

【技术实现步骤摘要】
一种柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于半导体材料
，具体涉及一种柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]柔性纤维超级电容器因其可拉伸性能高、柔韧性强、质量轻等特点被认为是解决可穿戴电子产品能源供应问题的最佳电源。当前，常用的石墨烯、过渡金属氧化物以及导电聚合物等电极材料的制备工艺复杂，与此同时在充放电过程中有可能出现稳定性较差的现象。合适的电极材料和柔性基底的巧妙组合在同时满足纤维超级电容器对电化学性能和柔韧性的要求方面发挥重要作用。在这种情况下，寻找制备工艺简单，且稳定性能高的电极材料成为柔性纤维超级电容器研究领域的热点。BDD以其制备工艺简单，抗酸碱腐蚀性能强，电势窗口宽，背景电流低、安全环保无污染和亲肤等优势在发展前景的柔性纤维超级电容器电极材料。然而，当前BDD基超级电容器的刚性和储电量低的问题限制了其在柔性可穿戴领域的长足发展。因此，利用简单工艺条件构建柔性可弯曲、高循环稳定性的BDD基超级电容器成为当务之急。
[0003]基底的柔性决定了整个电极的柔性和可弯曲度，BDD超级电容器要真正满足柔性可弯曲的要求，基底材料的柔性是首先要考虑的因素。当前，BDD薄膜常用的基底属于刚性材料，如碳材料、硅片和碳化物金属等，刚性BDD超级电容器在弯曲、折叠时，极易造成电极材料和集流体分离，影响电极的电化学性能，甚至导致短路引发严重的安全问题。
[0004]因此，如何设计出柔性基底材料制备的BDD超级电容器是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
[0005]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜，通过选择金属钽尺寸、预处理金属钽改善其对金刚石的附着能力、再将其作为基底材料，利用金属钽良好的弯曲性能和稳定的化学性质，从而制备出可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜，为制备钽基掺硼金刚石基超级电容器提供新的技术思路。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供一种柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜，所述柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜以表面呈网格状的金属钽为基底，在基底上沉积掺硼金刚石，即可实现金刚石薄膜在常温下的柔性可弯曲功能，所述钽基掺硼金刚石薄膜还可以实现常温下的充电放电功能。
[0008]在一优选的实施方式中，所述柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜可在常温下按任意角度弯折。
[0009]本专利技术的另一目的在于提供一种柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜的制备方法，仅
包括处理金属钽基底和在基底上沉积掺硼金刚石，整体制备方法简单、常温进行、安全高效。金属钽基底预处理步骤无需特殊装置设备，对作业环境和操作人员无特殊要求，可大规模快速生产。
[0010]为实现上述目的，本专利技术提供一种柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜的制备方法，具体包括以下步骤：
[0011]S1处理钽丝或平面钽片，使其表面形成网格状结构，得到金属钽基底；
[0012]S2在基底上沉积掺硼金刚石。
[0013]在一优选的实施方式中，步骤S1中，所述钽丝截面直径为0.1
‑
0.6mm，长度为10
‑
20cm；所述平面钽片长度和宽度均为10
‑
20mm，厚度为0.1
‑
0.2mm。
[0014]在一优选的实施方式中，步骤S1中，所述处理操作具体包括：用不同目数砂纸以交叉方向打磨。
[0015]在一优选的实施方式中，步骤S1中，所述打磨方式为：先沿钽丝或平面钽片长度方向，按砂纸目数80、100、150、220和400依次打磨，再沿钽丝或平面钽片长度的垂直方向重复用上述目数砂纸依次打磨，单次打磨时间为5
‑
10min。
[0016]在一优选的实施方式中，步骤S2中，具体包括以下步骤：
[0017]S21种晶：用金刚石微粉溶液擦拭金属钽基底表面，进行种晶，结束后烘干基底备用；
[0018]S22热丝化学气相沉积法镀膜：以B2O3为硼源、甲烷为形核碳源、乙醇为生长碳源，以氢气鼓泡法实现硼掺杂。
[0019]本专利技术的另一目的在于提供上述任意一项制备方法得到的柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜，在柔性电容器中的应用。经上述简单便捷制备方法得到的钽基掺硼金刚石薄膜，可以兼顾柔性可弯曲功能和优异的电化学性能，因此，极大的扩展了钽基掺硼金刚石在柔性超级电容器领域的应用。
[0020]在一优选的实施方式中，所述柔性电容器的制备方法为：以两个完全相同的柔性钽基掺硼金刚石薄膜分别作为正负极，以1M Na2SO4溶液为电解液组装即可得到柔性对称超级电容器。
[0021]在一优选的实施方式中，所述柔性对称超级电容器在电流密度为1mA cm
‑2时，得到功率密度为0.6mW cm
‑2和能量密度为25.6mJ cm
‑2；在电流密度为0.6mA cm
‑2时，经过200,00次循环充放电后该器件仍有93.5％的电容保持率。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有如下优点：
[0023]1、本专利技术中所用金属钽因其热膨胀系数和金刚石相似，化学性质比较稳定，具有极高的抗腐蚀性。经本专利技术方案处理后的金属钽基底可以对金刚石晶种产生更好的附着力，还能在薄膜与基底的界面处形成碳化物提高膜基结合力。
[0024]2、本专利技术中对金属钽处理方法简单高效，成本低、对设备环境要求低，利用砂纸交叉打磨金属钽基底，可有效增加基底的粗糙度，提高种晶率。
[0025]3、本专利技术整体工艺操作简单，能耗低，生产过程易于控制、处理过程安全绿色环保。
[0026]4、以本专利技术得到的柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜制备柔性电容器，具有良好的电化学性能和高循环稳定性，扩展了钽基掺硼金刚石在柔性超级电容器领域的应用。
附图说明
[0027]从下面结合附图对本专利技术实施例的详细描述中，本专利技术的这些和/或其它方面和优点将变得更加清楚并更容易理解，其中：
[0028]图1为本专利技术实施例1中以金属钽丝制备柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜和电极示意图；
[0029]图2为本专利技术实施例1中平面BDD薄膜在不同放大倍率下的表面形貌(a，b，c)，以及纤维BDD薄膜在不同放大倍率下的表面形貌(d，e，
[0030]f)；
[0031]图3为本专利技术实施例1中平面BDD薄膜电极和纤维BDD薄膜电极在100mV s
‑1扫描速率下的电化学性能；
[0032]图4为本专利技术实施例1中纤维BDD薄膜电极在不同弯曲度下的循环伏安曲线；
[0033]图5为本专利技术实施例1中纤维BDD薄膜电极充放电两万次的电容保持率曲线。
具体实施方式
[0034]为了使本领域技术人员更好地理解本专利技术，下面结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜，其特征在于，所述柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜以表面呈网格状的金属钽为基底，在基底上沉积掺硼金刚石，即可实现金刚石薄膜在常温下的柔性可弯曲功能，所述钽基掺硼金刚石薄膜还可以实现常温下的充电放电功能。2.如权利要求1所述的柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜，其特征在于，所述柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜可在常温下按任意角度弯折。3.如权利要求1所述的柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1处理钽丝或平面钽片，使其表面形成网格状结构，得到金属钽基底；S2在基底上沉积掺硼金刚石。4.如权利要求1所述的柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述钽丝截面直径为0.1
‑
0.6mm，长度为10
‑
20cm；所述平面钽片长度和宽度均为10
‑
20mm，厚度为0.1
‑
0.2mm。5.如权利要求1所述的柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述处理操作具体包括：用不同目数砂纸以交叉方向打磨。6.如权利要求5所述的柔性可弯曲钽基掺硼金刚石薄膜的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述打磨方式为：先沿钽丝或平面钽片长度方向，按砂纸目数80、100、150...

【专利技术属性】
技术研发人员：张静，赵志岩，李东玮，李勇，李雨果，高萌，姜晓萍，陶圆，张兴双，
申请(专利权)人：山东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：