一种MXene界面耦合增强式热释电红外传感器及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种MXene界面耦合增强式热释电红外传感器，包括由下至上设置的底柔性封装层、底电极、纳米复合薄膜、顶电极和顶柔性封装层，其中纳米复合薄膜为压电聚合物PVDF和二维材料MXene的复合纤维材料，复合纤维材料在固化过程中，借助MXene表面羟基(

【技术实现步骤摘要】
一种MXene界面耦合增强式热释电红外传感器及制备方法


[0001]本专利技术属于纳米材料领域、微纳能源领域，具体涉及一种MXene界面耦合增强式热释电红外传感器及制备方法。

技术介绍

[0002]在能源短缺的大环境下，新能源的开发和利用迫在眉睫，除了探寻典型的可再生能源，比如风能、太阳能、水能、潮汐能等，还可以将环境中的废热等利用起来。为了收集这些能源，科研人员将目光投放在了热释电红外传感器上，热释电红外传感器可以将环境中的温度变化转换为电能，而环境中的温度变化是一种非常普遍的现象，因此热释电红外传感器是一种低成本、高效益、简易化的灵活方案。这种新型的传感器可以将环境中的废热收集并通过热释电效应，转换为电能驱动微小型电子设备，展现了广阔应用前景。
[0003]热释电红外传感器的发展离不开热释电材料的研究，目前的热释电材料分为：单晶材料、金属氧化物陶瓷材料和高分子有机聚合物材料。单晶材料工作范围窄，且制作成本太高，所以在很大程度上限制了单晶材料的广泛运用。而金属氧化物陶瓷材料的居里温度较低，限制了其只能用于常温运用，而且介电损耗和温度系数都比较大，所以在一定程度上限制了它的使用。高分子有机聚合物材料主要是PVDF，它可以制备任意形状，任意厚度的薄膜器件，而且生产成本很低，工艺也极其简单，具有致密轻柔、热应力小、具有柔性、介电常数小、热导率低等优点，所以给热释电探测的发展提供了新的方向，而且柔性这一特点在可穿戴式传感器方向具有很大的前景。然而，现今的热释电红外传感器的性能处于一个瓶颈期，如何进一步提高热释电性能也成为了研究热点。
[0004]同时为了将热释电红外传感器的输出信号再提升一个高度，研究者们已将光热转换材料应用于热释电红外传感器中。这类热释电红外传感器，在光热转换材料的作用下，通过高效的光热转换效率，可以将来自太阳光、人体、动物等周围环境的近红辐射吸收并存储为内部的热能，随后通过热释电效应，进而转换为电能。目前常见的光热转换材料包含石墨烯、氧化石墨烯(GO)、还原氧化石墨烯(rGO)和碳纳米管等，虽然它们具有高比表面积、易于表面功能化以及优异的电学和光学性能，但是存在价格昂贵以及光热转换效率不够高等缺陷。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种MXene界面耦合增强式热释电红外传感器及制备方法。本专利技术为了进一步提高红外探测器对光的吸收率，引入具有优异光热转换效率的材料MXene，制备MXene和压电聚合物的纳米复合薄膜，纳米复合薄膜中的MXene和压电聚合物之间存在界面耦合，即静电纺丝PVDF的过程中利用MXene表面羟基(
‑
OH)和压电聚合物分子链中二氟亚甲基(
‑
CF2)之间的氢键作用，诱导压电聚合物全反式分子构型，进而提升复合薄膜的自发极化强度和热释电性能。此外，MXene作为一种高效的光热转换材料，可以将外界入射光能高效转换为热能，且与压电聚合物形成
的氢键进一步促进热电的传导，可利用热释电效应将红外辐射通量的变化转换为交变输出电信号。本专利技术充分利用了MXene界面极化增强效应与MXene的光热转换特性，提升了对外界红外辐射的响应率与灵敏度。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种MXene界面耦合增强式热释电红外传感器，包括由下至上设置的底柔性封装层5、底电极4、纳米复合薄膜3、顶电极2和顶柔性封装层1；纳米复合薄膜3为压电聚合物和二维材料MXene的复合物，在所述复合物的固化过程中，借助MXene表面羟基(
‑
OH)和压电聚合物二氟亚甲基(
‑
CF2)之间的氢键作用，促进压电聚合物全反式分子构型，提升压电聚合物的自发极化强度和热释电性能，同时利用MXene的光热转换效率，提升纳米复合薄膜对红外辐照的热释电效应，从而增大对外界红外辐射的响应度和灵敏度。
[0007]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。
[0008]进一步的，所述纳米复合薄膜3采用静电纺丝法、热压法或流延法制备。
[0009]进一步的，所述压电聚合物选自聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚三氟乙烯(PTrFE)、聚偏二氟乙烯
‑
共三氟乙烯P(VDF
‑
TrFE)、聚偏二氟乙烯
‑
共六氟丙烯P(VDF
‑
HFP)其中一种。
[0010]进一步的，所述顶电极所使用的材料为透明导电ITO，所述底电极所使用的材料为铜、铝或银金属。
[0011]为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供一种上述的MXene界面耦合增强式热释电红外传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0012]S1：准备底柔性封装层5；
[0013]S2：在所述底柔性封装层5上形成底电极4；
[0014]S3：采用静电纺丝法、热压法或流延法在所述底电极4上形成纳米复合薄膜3；
[0015]S4：在所述纳米复合薄膜3上形成顶电极2；
[0016]S5：在所述顶电极2上形成顶柔性封装层1。
[0017]进一步的，所述纳米复合薄膜3的制备包括以下步骤：
[0018]S31：将30
‑
80mg MXene粉末溶解在N,N
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二甲基甲酰胺与丙酮的混合液中，超声处理1
‑
3h，N,N
‑
二甲基甲酰胺与丙酮的体积比为3:2，获得第一混合液；
[0019]S32：在所述第一混合液中加入0.5
‑
3.5g聚偏氟乙烯PVDF颗粒，在40
‑
60℃水浴条件下磁力搅拌1
‑
3h，再超声30
‑
60min，获得第二混合液；
[0020]S33：将所述第二混合液倒入注射器中，并放置在推进器上，准备静电纺丝；
[0021]S34：静电纺丝1
‑
3h，流速设置为8
‑
12μL/min，电压15
‑
20kV，同时设置纺丝温度为40
‑
60℃；
[0022]S35：将静电纺丝后的薄膜取出，并放置于50
‑
60℃的烘箱中烘干10
‑
30min，得到纳米复合薄膜。
[0023]本专利技术的工作原理如下：
[0024]MXene是一种新的二维材料，主要由一系列过渡金属和C或N构成，其片层结构被一层终端基团所覆盖，一般对于采用液相刻蚀法制备的MXene材料，其表面终端为氧、羟、氟或氯等基团。MXenes具有高比表面积、高电子传导性、亲水性和表面官能团可调控性等物理化学性质，在锂电池、催化和太阳能开发与利用等涉及多能量转化的领域得到了广泛应用。此外，MXene材料还具有出色的光热转换性能，其多层结构能够实现入射太阳光的多级反射吸
收，部分材料的光热转换效率接近100％，其光吸收能力远高于CNTs，是一种很有前途的光热材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种MXene界面耦合增强式热释电红外传感器，其特征在于，包括由下至上设置的底柔性封装层(5)、底电极(4)、纳米复合薄膜(3)、顶电极(2)和顶柔性封装层(1)；纳米复合薄膜(3)为压电聚合物和二维材料MXene的复合物，在所述复合物的固化过程中，借助MXene表面羟基(
‑
OH)和压电聚合物二氟亚甲基(
‑
CF2)之间的氢键作用，促进压电聚合物全反式分子构型，提升压电聚合物的自发极化强度和热释电性能，同时利用MXene的光热转换效率，提升纳米复合薄膜对红外辐照的热释电效应，从而增大对外界红外辐射的响应度和灵敏度。2.根据权利要求1所述的一种MXene界面耦合增强式热释电红外传感器，其特征在于，所述纳米复合薄膜(3)采用静电纺丝法、热压法或流延法制备。3.根据权利要求1所述的一种MXene界面耦合增强式热释电红外传感器，其特征在于，所述压电聚合物选自聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚三氟乙烯(PTrFE)、聚偏二氟乙烯
‑
共三氟乙烯P(VDF
‑
TrFE)和聚偏二氟乙烯
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共六氟丙烯P(VDF
‑
HFP)其中一种。4.根据权利要求1所述的一种MXene界面耦合增强式热释电红外传感器，其特征在于，所述顶电极所使用的材料为透明导电ITO，所述底电极所使用的材料为铜、铝或银金属。5.一种权利要求1
‑
4任一项所述的MXene界面耦合增强式热释电红外传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏元捷，刘蕊，谢光忠，代静，黄俊龙，李惟雄，陈春旭，太惠玲，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：