Síntese de um filme de nanofibra de polímero cerâmico à base de óxido de grafeno reduzido dopado com nitrogênio para aplicações em dispositivos vestíveis

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 15583 (2022) Citar este artigo

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Neste estudo, filmes de nanofibras compósitos piezoelétricos foram fabricados pela introdução de óxido de grafeno reduzido dopado com nitrogênio como um material condutor para um polímero P(VDF-TrFE) e um compósito cerâmico BiScO3–PbTiO3 empregando um processo de eletrofiação. O nitrogênio foi dopado/substituído em rGO para remover ou compensar defeitos formados durante o processo de redução. O processo de eletrofiação foi empregado para extrair filmes de nanofibras de compósitos piezoelétricos sob condição de autopolagem. Eletrodos interdigitais foram empregados para fazer coletores de energia do tipo planejador para coletar energia eletromecânica aplicada ao coletor de energia flexível. Do compósito piezoelétrico com eletrodo interdigital, a permissividade dielétrica efetiva extraída do método de mapeamento conforme. Ao introduzir cerâmica BS-PT e condutores N-rGO aos filmes de nanofibras compostas piezoelétricas P(VDF-TrFE), a permissividade dielétrica efetiva foi melhorada de 8,2 para 15,5. Esta constante dielétrica efetiva melhorada provavelmente vem do aumento da densidade do fluxo elétrico devido ao aumento da condutividade. O eletrodo interdigital fabricado usando este filme fino de nanofibra composta foi projetado e testado para aplicações de dispositivos vestíveis. Uma força mecânica externa de 350 N foi aplicada ao coletor de energia composto à base de nanofibras com eletrodos interdigitais a uma taxa de 0,6 Hz, a tensão e a corrente de pico foram de 13 V e 1,25 μA, respectivamente. Ao otimizar a fabricação do dispositivo, a tensão de circuito aberto, a tensão armazenada e a potência de saída gerada foram 12,4 V, 3,78 V e 6,3 μW, respectivamente.

Materiais compósitos piezoelétricos baseados em polímeros e cerâmicas têm atraído atenção notável por causa de suas propriedades elétricas e mecânicas superiores, como flexibilidade, piezoeletricidade e robustez1,2,3. Em geral, os polímeros piezoelétricos são baseados principalmente em materiais PVDF e P(VDF-TrFE)4,5. Suas propriedades elétricas podem ser aprimoradas pela adição de cerâmica piezoelétrica para fazer estruturas compostas piezoelétricas. Embora os compósitos piezoelétricos tenham sido realizados, existem limitações na melhoria de suas propriedades piezoelétricas devido a seus comportamentos resistivos. Para superar essas limitações, materiais condutores podem ser adicionados a compósitos piezoelétricos para melhorar suas propriedades elétricas. O rGO bidimensional (2D) é amplamente empregado como um material condutor que pode ser facilmente misturado com outros componentes para melhorar as propriedades elétricas e mecânicas6,7,8. Portanto, a introdução de rGO em polímeros piezoelétricos, incluindo PVDF e P(VDF-TrFE), pode resultar em propriedades piezoelétricas aprimoradas9,10. No entanto, muitos defeitos são induzidos durante o processo de redução do rGO, o que pode prejudicar suas propriedades de transporte de elétrons. Esses defeitos podem ser muito prejudiciais para aplicações piezoelétricas porque perturbam o campo elétrico11,12. O rGO tem sido extensivamente investigado para aplicações de dispositivos funcionais bidimensionais devido à sua alta condutividade elétrica e flexibilidade13,14. No entanto, defeitos decorrentes do processo de redução diminuem as propriedades elétricas do rGO. Para superar propriedades condutivas diminuídas, N foi dopado/substituído em rGO bidimensional. A dopagem/substituição de N pode superar defeitos em rGO, resultando em uma maior condutividade elétrica6.

Filmes de nanofibras piezoelétricas à base de polímeros e ingredientes cerâmicos apresentam diversas vantagens em relação a outras estruturas compostas, como flexibilidade e piezoeletricidade13,15. Um filme de nanofibra tem uma flexibilidade superior devido à sua alta relação de aspecto em comparação com outros materiais compósitos e cerâmicos. Um processo de eletrofiação foi projetado e adotado para fabricar nanofibras confiáveis e estruturas compostas de nanofibras. Eletrofiação é uma técnica que produz nanofibras de polímeros, cerâmicas e metais por meio da aplicação de um campo elétrico. Esse processo pode formar nanofibras a partir de moléculas complexas e pode operar em baixas temperaturas16,17.

εs. Otherwise, the electric field cannot be confined within the composite nanofiber layer. As shown in Fig. 5a, W is the finger width, G is the space between fingers, λ is the spatial wavelength of the interdigital capacitor (IDC), t is the thickness of the metal electrode pattern, and hn is the height of the nanofiber film and substrate. We obtained analytical models of the IDC following the work of Gevorgian20,21. Modified Igreja's equations for capacitances of inner (CI) and outer (CE) electrodes were determined, as shown in Fig. 5b, where it was assumed that the substrate thickness was non-infinite and the air layer below the substrate was infinitely thick. Equations of the IDC can then be expressed as follows21:/p>