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时间:2019-03-08
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1、原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在指导教师的指导下,独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名:日期:关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定,其中包括:①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件;②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文;③学校可允许学位论文被查阅或借阅;④学校
2、可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文;⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。签名:日期:导师签名:日期:中北大学学位论文基于MEMS微电容的电极材料的研究摘要超级电容器,是一种新型电能储存元件,具有电容量大、漏电流小等优点,目前已被广泛应用于多个领域。但随着越来越多的微纳米尺寸的微小型器件得到应用,普通超级电容器由于尺寸大已无法为这些微小型器件提供能源,因此人们将MEMS技术与超级电容器相结合,研制出一种微纳米尺寸的新型超级电容器,它被称为MEMS超级电容器或者MEMS微电容。M
3、EMS微电容具有存储能量大、循环寿命长、体积微型化等优点,可为微小型器件提供稳定可靠的能源。作为超级电容器的一个重要分支,MEMS微电容的性能主要取决于电极材料,目前,常用的电极材料主要有碳材料、金属氧化物和导电聚合物。其中,导电聚合物中的聚吡咯(PPy)由于具有良好的导电性、合成简单、环境稳定性好等成为人们的研究热点。但是,以PPy为电极材料的MEMS微电容普遍具有两个缺点:一是比容量较小,二是循环稳定性较差。为了解决这些问题,本论文将PPy与碳材料复合制备新型功能薄膜作为MEMS微电容的电极材料,并加以测试。本论文首
4、先对MEMS微电容的双电层电容和法拉第赝电容的储能机理作了初步探讨,确定了MEMS微电容设计方案,选择碳材料中的碳纳米管(CNT)和石墨烯(GR)作为实验材料,在完全相同的镍基三维基础微结构表面制备三种电极材料:PPy、PPy/CNT、PPy/GR,利用ANSYS软件对三种不同电极材料的MEMS微电容进行了容值仿真,得到其容值均在20μF以上。接下来,利用MEMS加工技术和电化学沉积技术制备出上述三种MEMS微电容样品,并测得三种电极材料在三维基础微结构上的负载222量分别为0.056mg/cm、0.039mg/cm、0
5、.034mg/cm。最后,本论文使用S4700型扫描电子显微镜对三种电极材料进行微观形貌表征,用μAUTOLABⅢ型电化学工作站对三种MEMS微电容样品进行包括循环伏安性能、交流阻抗性能、恒流充放电性能和循环性能在内的电化学性能测试。微观形貌表征结果表明,PPy/CNT、PPy/GR复合电极材料具有明显区别于PPy的微观形貌,这种微观形貌有助于提升电极材料的电容性能,增大了电极材料与三维基础微结构的结合力。电化学性能测试结果为,当放电电流是1mA时,三种MEMS微电容的比电容分别是7.0、8.0、28.3mF/cm,容值
6、分别是25、28、30μF,这与ANSYS的容值仿真结果相符,经过循环中北大学学位论文性能测试后,三者的比电容分别保持了原来的72.9%、85.0%、89.2%,这表明,与PPy相比,PPy/CNT、PPy/GR复合电极材料具有更高的比电容和电容量,循环性能更好,其中PPy/GR复合电极材料表现最好。因此,PPy/碳材料复合电极材料能有效解决PPy比容量较小、循环稳定性较差的问题,将PPy与碳材料复合制备电极材料并运用于MEMS微电容具有重要的研究意义和实用价值。关键词:MEMS,微电容,聚吡咯,碳纳米管,石墨烯中北大学
7、学位论文ThestudyofelectrodematerialbasedonMEMSmicrocapacitorAbstractAsupercapacitorwithadvantagesoflargecapacitance,lowleakagecurrent,etc.isanewenergystorageelement,whichhasbeenusedinmanyfieldswidely.Butasmoreandmoremicro-nano-sizedmicrodevicesareapplied,ordinarysupe
8、rcapacitors,duetotheirlargesize,havebeenunabletoprovidetheenergyforthesemicrodevices.SobycombiningMEMStechnologywithsupercapacitors,peopledevelopedanewmicro-na
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