激光界面烧蚀生成石墨烯及超级电容器应用

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激光界面加工继承了传统激光加工响应速度快、加工区域精准灵活、非接触制造的优势,利用激光通过透明基板聚焦基板-材料界面实现对界面的精准调控,在微纳制造、转印、图案化打印等方面有着广阔的应用前景。本文基于激光诱导石墨烯技术,提出了激光界面烧蚀生成图案化石墨烯电极的工艺,构建了超级电容器的“一步式”制造工艺,并对电容器性能进行了测试研究,最后完成了激光界面加工原理样机软件开发,并在样机上验证了该工艺的可行性,主要研究内容包括以下几个方面:(1)提出了激光界面烧蚀制备图案化电极的加工方法,在此基础上探究了激光界面烧蚀的碳化过程,得到激光界面烧蚀石墨烯的工艺窗口。相比激光表面烧蚀石墨烯工艺,本论文提出的方法所制备的石墨烯在图案线宽、导电性能和生成质量上极具优势,最低方阻可达8Ω/sq,是目前所有激光烧蚀聚酰亚胺(Polymide,PI)制备石墨烯的报道中,所制石墨烯方阻最小的。进一步,系统地研究了激光烧蚀功率、烧蚀速度以及重复扫描次数这三种工艺参数对石墨烯的表面形貌、线宽、导电性能以及生成质量的影响规律,为后续器件制造的参数选择提供指导。(2)基于上述提出的激光界面烧蚀工艺,完成了石墨烯基超级电容器的“一步式”制造,并对所制器件的面积比电容、库伦效率、循环稳定性等关键性能指标进行了测试,在5 m V/s的扫描速度下,器件拥有4.860 m F/cm~2的面积比电容,相较于激光表面烧蚀所制备的器件比电容提升了38.5%,这得益于激光界面烧蚀工艺所制石墨烯电极拥有更低的方阻。为了进一步提升器件性能,基于激光界面烧蚀工艺制备了LIG-Mn O2复合电极,并完成了器件的“一步式”制造,测试表明Mn O2材料的掺入将器件的比电容提升了25%以上。(3)开发了激光界面加工装备软件系统。以激光界面加工装备原理样机的硬件为基础,集成了激光界面烧蚀石墨烯、激光剥离、激光前向转移等多种激光界面调控工艺,并对软件系统中所集成各种工艺进行了可行性验证。
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