Pembangunan penjana nano piezoelektrik berasaskan komposit nano polivinilidena fluorida dan mxene Ti3C2Tx 2D

Abstract

Tesis ini membincangkan pembangunan peranti penjana nano piezoelektrik (PENG) yang mengubah tenaga mekanik menjadi tenaga elektrik menggunakan lapisan piezolektrik. Polimer polivinilidena fluorida (PVDF) mempunyai kelebihan sebagai lapisan piezoelektrik disebabkan sifatnya yang tidak toksik, fleksibel, pemalar piezoelektrik yang tinggi dan kos rendah. Akan tetapi, struktur hablur fasa-β PVDF yang mempunyai sifat piezoelektrik yang tinggi adalah sukar untuk dicapai jika menggunakan PVDF tulen. Penambahan pengisi nano MXene Ti3C2Tx 2D, garam ionik dan pelarut kutub tinggi dalam polimer PVDF adalah kajian yang belum pernah diterokai untuk meningkatkan prestasi PENG berasaskan PVDF. Kaedah fabrikasi PENG menggunakan pemprosesan larutan iaitu salutan spin untuk memendapkan lapisan komposit nano. Kandungan fasa-β daripada komposit nano PVDF-Ti3C2Tx yang dihasilkan adalah melebihi 80%. Peranti PENG optimum telah mencapai voltan litar-terbuka (Voc) sebesar 6.0 V dan ketumpatan kuasa sekitar 12.5 μW/cm2 pada 1 MΩ beban rintangan. Hasil elektrik yang optimum disebabkan oleh pembentukan fasa-β berpunca penyebaran seragam Ti3C2Tx yang menggalakkan penjajaran dwikutub bahan piezoelektrik. Penamatan permukaan fluorin pada Ti3C2Tx dan ion Mg2+ daripada garam masing-masing menyusun rantai dwikutub -CH2 dan -CF2 PVDF ke dalam konfigurasi fasa-β. Seterusnya, peranti PENG dikaji dengan lapisan komposit nano yang lebih tebal menggunakan struktur dwilapisan untuk menyelesaikan masalah litar pintas antara elektrod yang wujud pada struktur PENG kajian sebelumnya. Kajian penambahbaikan mendapati bahawa peranti PENG adalah berfungsi dengan baik pada ketebalan komposit nano yang munasabah kerana isu litar pintas yang jarang berlaku, diikuti dengan permukaan sentuhan maksimum bagi proses pemindahan cas, dan pembentukan fasa-β yang dipertingkatkan dengan penggabungan pengisi nano. Output elektrik yang dijana menggunakan struktur dwilapisan adalah lebih tekal dibandingkan struktur sebelumnya. Peranti PENG optimum boleh menyalakan LED merah 3 mm menggunakan kaedah pengecasan kapasitor ketika isyarat elektrik diluruskan menggunakan litar pelurus jambatan gelombang penuh. Oleh itu, kajian ini telah membuka jalan pembangunan PENG sebagai sumber tenaga alternatif bagi alat elektronik berkuasa rendah dengan kaedah fabrikasi pemprosesan larutan.