Électrode composite piézoélectrique en nanofibres pour appareils portables


Les applications d’appareils portables ont inauguré une nouvelle ère d’interaction homme-ordinateur avec une variété d’objectifs, de concepts sous-jacents et de formes. Ces appareils sont largement utilisés dans les domaines médicaux et de la santé tels que l’évaluation des signaux physiologiques, l’athlétisme et la détection de la pollution.

​​​​​​​Etude : Synthèse d’un film de nanofibres composites polymères céramiques à base d’oxyde de graphène réduit dopé à l’azote pour des applications de dispositifs portables. Crédit d’image : images magiques/Shutterstock.com

Développer une électrode efficace avec une permittivité diélectrique optimale pour les applications de dispositifs portables reste cependant un défi majeur.

Une étude récente publiée dans Rapports scientifiques résout ce problème en fabriquant une électrode à base de film de nanofibre composite piézoélectrique pour de nouvelles applications de dispositifs portables.

Matériaux pour les applications d’appareils portables : aperçu et défis

Les composites piézoélectriques à base de matériaux polymères et de céramiques ont suscité un intérêt considérable pour les applications de dispositifs portables en raison de leurs excellentes qualités mécaniques et électriques, telles que l’adaptabilité, les propriétés diélectriques et la résilience. Les caractéristiques électriques des matériaux non traités peuvent être améliorées en incorporant des céramiques piézoélectriques dans les matériaux composites.

Bien que les matériaux composites piézoélectriques aient été développés avec succès pour des applications de dispositifs portables, leurs caractéristiques résistives limitent leur capacité à améliorer les capacités piézoélectriques. Des matériaux conducteurs peuvent être introduits dans les composites piézoélectriques pour augmenter leurs caractéristiques électriques, en s’affranchissant de ces contraintes.

L’oxyde de graphène réduit bidimensionnel (rGO) est couramment utilisé comme substance conductrice dans les applications d’appareils portables. Il peut être mélangé avec d’autres matériaux pour améliorer les qualités mécaniques et électriques.

Par conséquent, l’incorporation de rGO dans des matériaux piézoélectriques peut augmenter leurs caractéristiques piézoélectriques. Cependant, de nombreux défauts se forment lors de la réaction de réduction de rGO, compromettant ses caractéristiques de transport d’électrons.

Ces défauts peuvent être très dommageables pour les applications de dispositifs portables à base piézoélectrique car ils perturbent le champ électrique. Pour compenser les caractéristiques conductrices réduites, l’azote peut être incorporé dans le rGO bidimensionnel, ce qui donne du N-rGO avec des propriétés électriques améliorées.

Films de nanofibres piézoélectriques : l’avenir des applications d’appareils portables

Les films de nanofibres piézoélectriques fabriqués à partir de copolymères et de matériaux céramiques présentent divers avantages par rapport aux composites conventionnels, notamment l’adaptabilité et les propriétés diélectriques. Un film de nanofibres est plus flexible que d’autres composites et polymères céramiques en raison de son grand rapport d’aspect.

Bien que de nombreuses techniques puissent être utilisées pour créer des films de nanofibres piézoélectriques pour des applications de dispositifs portables, la méthode d’électrofilage est couramment utilisée car elle offre plusieurs avantages par rapport aux autres méthodes de production physique.

L’électrofilage est un processus qui utilise un champ électrique pour créer des nanofibres de matériaux polymères, de céramiques et de métaux. Cette méthode peut créer des nanofibres à partir de composés complexes et fonctionner à basse température.

De plus, les nanofibres hybrides N-rGO et piézoélectriques hautement conductrices peuvent être soigneusement combinées au cours de la procédure de préparation avant l’électrofilage. Par conséquent, des nanofibres composites piézoélectriques dopées N-rGO adaptées à diverses applications de dispositifs portables peuvent être facilement fabriquées.

Électrodes interdigitées pour les applications d’appareils portables

Presque toutes les applications d’appareils portables ont une structure d’électrodes de type planificateur, et les électrodes traditionnelles de type vertical ne peuvent pas être utilisées dans les applications d’appareils portables de nouvelle génération. Il est bien établi que les films nanofibreux piézoélectriques avec des électrodes de type planificateur offrent des capacités électriques uniques pour une large gamme d’applications de dispositifs portables.

Cette étude a créé des électrodes de type planificateur interdigité et les a appliquées sur des films de nanofibres hybrides piézoélectriques dopés N-rGO pour des applications de dispositifs portables.

Les chercheurs ont sélectionné le N-rGO synthétique pour enrichir les nanofibres composites piézoélectriques car il a une conductivité plus élevée que le rGO. L’azote est essentiel pour éliminer les défauts de la surface rGO. Grâce à cette conductance plus élevée, les propriétés des électrodes flottantes dans les matériaux composites piézoélectriques peuvent être améliorées.

Les chercheurs ont utilisé la procédure de cartographie conforme pour extraire diverses combinaisons de permittivité diélectrique en simulant et en calculant les propriétés diélectriques fonctionnelles des électrodes préparées. Ces électrodes ont également été utilisées pour développer des extracteurs d’énergie piézoélectriques adaptables pour des applications d’appareils portables.

Conclusions importantes de l’étude

Les caractéristiques des électrodes flottantes ont amélioré le générateur d’énergie à base de nanofibres créé dans ce travail et amélioré la puissance de sortie. La puissance de sortie a été optimisée en affinant la technique de fabrication et l’architecture des électrodes interdigitées. Le potentiel stocké, la tension en circuit ouvert et la puissance de sortie étaient respectivement de 3,78 V, 12,4 V et 6,3 μW.

La permittivité diélectrique globale des films de nanofibres hybrides piézoélectriques a été augmentée de 8,2 à 15,5 en incluant des céramiques et des conducteurs N-rGO. Cette constante diélectrique efficace améliorée est très probablement due à une intensité de flux électrique accrue en raison d’une conductance plus élevée.

Sur la base de ces résultats, il est plausible de conclure que les électrodes interdigitées composées de films de nanofibres piézoélectriques dopés N-rGO ont un potentiel élevé d’utilisation dans une variété d’applications de dispositifs portables à l’avenir.

Référence

Ji, J.-H. et coll. (2022). Synthèse d’un film de nanofibres composites polymères céramiques à base d’oxyde de graphène réduit dopé à l’azote pour des applications de dispositifs portables. Rapports scientifiques. Disponible à: https://www.nature.com/articles/s41598-022-19234-0

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