激光烧蚀制备EGaIn/石墨烯复合柔性电容器的方法

本发明涉及一种基于激光烧蚀制备egain/石墨烯复合柔性电容器的方法，属于柔性传感器领域。

背景技术：

1、近年来，在材料、制造技术和信号处理算法创新的推动下，电容式传感器技术取得了显着进步。柔性且可拉伸的电容传感器已被开发用于可穿戴电子产品、软机器人和生物医学应用。

2、电容式传感器测量由于导电元件之间的距离变化而引起的电容变化。在这种传感器配置中，外部刺激或分析物引起的石墨烯和基板之间的分离变化会导致电容变化。可以测量电容的这种变化并将其与目标参数或分析物浓度相关联。

3、制备柔性传感器通常需要复杂的制造工艺，在电容式压力传感器的介电层上进行微图像化是改善传感器性能的最常用方法之一。这可以通过多种方法来实现，例如从生物或商业材料直接成型或使用光刻技术。最常见的方法之一是用模具直接制造，通常使用光刻技术。该模具通常由<100>硅晶圆与热生长氧化物和光平版印刷模式制造。首先光刻用于生成光刻胶图案，然后蚀刻氧化层。在硅蚀刻过程中，剩余的氧化层充当掩膜。光刻蚀刻工艺可以根据所需的模具结构而变化。一旦蚀刻完成，就可以去除氧化层。之后可以通过将弹性体分散到模具表面，固化，然后将其从模具中取出来制造微图案化弹性体。为了便于从硅片模具中去除弹性体，氟化硅烷的气相沉积经常用于创建高度疏水的模具表面。

4、由于电极、基板和功能部件之间的显著化学差异，在大应变下功能部件与基板分离，难以保持导电性。解决这个问题的一个很有前途的方法是使用液态金属，例如egain(共晶镓铟合金)，在室温下保持液态。它具有独特的性能，包括高导电性、低熔点和可变形性。egain广泛应用于柔性和可拉伸的电子产品中。在电容式传感器中，egain可以用作导电元件或电极，为传感器结构提供电连接性和灵活性。由于其高表面张力，用egain制造高密度交错图案仍然是一个巨大的挑战。

5、由于电容器的储能性能在很大程度上取决于交错电极的面密度，因此只要电极在机械变形下保持机械和电稳定性，就应该最小化相邻交错电极之间的间隙。飞秒激光作为一种新型的制备微纳结构的技术，基于其峰值功率极高、热效应极小等特点，可有效避免对基底的热损伤，有助于实现对可选区的高精细低损加工；还可实现对材料的成分、结构的大体可控调节，为多功能、高集成化及高性能的柔性电子器件的开发提供多种可能。

6、激光烧蚀是使用高强度激光束从固体表面去除材料的过程。当激光束与材料相互作用时，它会被吸收，导致局部加热。当材料吸收能量时，它会经历快速加热和蒸发。这导致等离子体羽流的形成，该等离子体羽流由汽化材料和气体组成，并远离表面膨胀。高能等离子体羽流对周围材料施加压力，导致其从表面喷射或烧蚀。材料去除过程可以通过各种机制发生，例如热汽化、光解或爆炸碎片，具体取决于激光参数和材料的特性。激光烧蚀过程还可以引起基材材料的变化，例如加热、熔化或表面特性的改变。必须仔细控制激光参数，以尽量减少对基材的不良影响。

7、石墨烯由于其独特的电子能带结构，在紫外(uv)到近红外(nir)范围内具有很强的光学吸收。当高能激光束照射到石墨烯表面时，材料会有效地吸收激光能量。吸收的激光能量导致石墨烯表面快速加热。由于激光光斑直径通常很小，因此石墨烯表面存在显着的温度梯度。中心区域经历最高温度，达到足以使石墨烯热分解或升华的水平。在高温下，石墨烯会发生热分解，分解成更小的碳质碎片。此过程可能导致石墨烯层从表面去除。

8、激光烧结去除表面石墨烯的有效性取决于各种参数，包括激光功率、脉冲持续时间、光斑尺寸、扫描速度和波长。这些参数的优化对于实现对烧蚀过程的精确控制并最大限度地减少对底层基板的损坏至关重要。石墨烯/egain和egain上的各种可变形图案很容易在sebs上制造出来。

9、镓铟共晶合金(egain)是金属镓和金属在高温下熔炼而成的共晶合金，是一种高导电的液体金属，在室温下为液态。镓铟合金的比例可以定制，是在氮气保护下生产，以防止氧化和污染。

10、sebs是以聚苯乙烯为末端段，以聚丁二烯加氢得到的乙烯-丁烯共聚物为中间弹性嵌段的线性三嵌共聚物。sebs不含不饱和双键，因此具有良好的稳定性和耐老化性。sebs是饱和型sbs，或称氢化sbs，是由特种线型sbs加氢使双键饱和而制得，sbs在催化剂存在下适度定向加氢，则使聚丁二烯链段氢化成聚乙烯(e)和聚丁烯(b)链鼓，故称为sebs。氢化sbs一般比较坚硬，刚性较强，模量较高，拉伸强度比加氢前有显著提高，扯断伸长率下降。sebs由于分子链中双键没有或盛少，故对光氧、臭氧的耐老化性能明显变好。

技术实现思路

1、为了解决现有基于egain的柔性电容传感器的制备方法中，面临着制造复杂性、生产成本和选择性方面的挑战。本发明的目的是提供一种基于激光烧蚀制备egain/石墨烯复合柔性电容器的方法，通过egain/石墨烯复合结构，利用激光合理控制相邻交叉电极的间隙和石墨烯的质量负载，能够获得具有高面电容、高灵敏度、快速响应时间的柔性电容器。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

3、本发明公开基于激光烧蚀制备egain/石墨烯复合柔性电容器的方法，包括如下步骤：

4、步骤一：用刷子将egain涂在sebs基板上。所得到的egain薄膜具有优异的电性能，用作电流集电极。

5、步骤二：通过预先设计的模板丝网印刷石墨烯浆料，将石墨烯选择性地沉积在egain薄膜的所需区域上，得到石墨烯/egain双层。

6、步骤三：激光沿着预先设计的路径照射以制造图案。

7、作为优选，当激光照射时，沿激光路径的石墨烯/egain和egain被烧蚀，分别形成石墨烯/egain交叉图形和egain电路。将激光峰值功率和激光频率分别固定在3.9w和100khz，同时将长脉冲持续时间τ调整到4000ns，以确保石墨烯和egain的完全烧蚀而不会对sebs造成任何损害。

8、步骤四：利用激光控制相邻交叉电极的间隙和石墨烯的质量负载，将聚二甲基硅氧烷pdms液体涂覆在交叉电极区域，渗透到石墨烯层中，实现pdms对egain层的粘附，得到egain/石墨烯复合柔性电容器。

9、作为优选，利用激光控制相邻交叉电极的间隙和石墨烯的质量负载，将聚二甲基硅氧烷pdms液体涂覆在交叉电极区域后完成固化。将pdms基本组分和固化剂以10:1的重量比充分搅拌均匀使其完全混合，然后浇注到交叉电极区域上。未固化的pdms在真空室中进行30分钟的脱气处理，然后在70℃下进行2小时的热固化。pdms渗透到石墨烯层中，实现pdms对egain层的粘附，得到egain/石墨烯复合柔性电容器。

10、对于egain/石墨烯复合柔性电容器，电容与石墨烯层和周围的介质或电介质有关，其电容量为：

11、

12、其中：ε为介电介质的介电常数，a是板间的重叠面积(是石墨烯层覆盖的面积)，d是两个板之间的距离。

13、有益效果：

14、1、本发明公开的基于激光烧蚀制备egain/石墨烯复合柔性电容器的方法，用刷子将egain涂在sebs基板上，所得到的egain薄膜用作电流集电极。通过预先设计的模板丝网印刷石墨烯浆料，将石墨烯选择性地沉积在egain薄膜的所需区域上，得到石墨烯/egain双层。本发明利用石墨烯具有优异的导电性实现电极低电阻，利用低电阻减少egain/石墨烯复合柔性电容器充电和放电循环期间的能量损失，从而提高电容器的效率和功率处理能力。

15、2、与传统电极材料相比，本发明公开的基于激光烧蚀制备egain/石墨烯复合柔性电容器的方法，基于egain/石墨烯复合结构，利用石墨烯的高表面积实现更有效的电荷存储，利用激光合理控制相邻交叉电极的间隙和石墨烯的质量负载，且叉指电极结构通过最大化电极-电解质界面进一步增加有效表面积，从而增强电容器的电容。

16、3、与现有使用光刻将光掩模暴露在紫外线下，显影抗蚀剂，然后蚀刻金属层以限定电容器电极的方法相比，本发明公开的基于激光烧蚀制备egain/石墨烯复合柔性电容器的方法，仅使用激光能有效避免对基底的热损伤，有助于实现对可选区的高精细低损加工，还能够实现对材料的成分、结构的大体可控调节。

17、4、本发明公开的基于激光烧蚀制备egain/石墨烯复合柔性电容器的方法，制备的egain/石墨烯复合结构的柔性电容器，对电场的变化高度敏感，能够检测到电容的微小变化，并且表现出快速响应时间，能够用于包括环境监测、生物医学传感、触摸屏和物联网设备。