3.结果和讨论

3.1.单层电极特性

在以下两个部分中，对转移到PDMS基底上的基于MWCNT/P3HT和MWCNT/P3DT单层的电极的结构、表面形貌、表面电阻和杨氏模量进行了表征。

3.1.1.单层电极的特性

首次在空气-水界面上研究了MWCNT/PT单层膜的性质。然后将单分子膜转移到PDMS基底上，并用AFM表征其形态。测量表面电阻与时间的关系。

3.1.1.1.空气-水界面和PDMS基底上的单层结构。空气-水界面上分布的两种MWCNT/P3DT和MWCNT/P3HT复合膜的压缩等温线如图3a所示。两个系统的等温线形状相似，其特征是表面压力急剧上升，直到在60 mN/m左右检测到坍塌。这表明在空气-水界面形成了冷凝和稳定的单层。应该注意的是，在没有铂的情况下，多壁碳纳米管不会在空气-水界面形成朗缪尔单层。以15 mN/m压缩的MWCNT/P3DT单层的布儒斯特角显微镜（BAM）图像如图3a中的插图所示。通过与纯PT单层（补充数据，第2节，图S2）比较，嵌入PT凝聚相中的MWCNT可以观察到尺寸为几微米的小亮点。还可以观察到与MWCNT聚集体相对应的一些稍大的亮点。对于MWCNT/P3HT单层，观察到类似的行为。因此，BAM图像证实PTs是MWCNT的良好分散剂[34]。为了进一步了解该单层的结构，在15 mN/m的表面压力下，拍摄转移到100μm厚PDMS基底上的单层的AFM图像（图3b）。由于未检测到PT侧链长度的显著影响，因此仅显示了MWCNT/P3DT系统的AFM图像。AFM形貌显示出均匀且致密的MWCNT地毯。多壁碳纳米管明显相互连接，形成一个网络，反映了复合单层从水面到PDMS基底的成功LS转移。

图3。（a）MWCNT/P3HT和MWCNT/P3DT单分子膜的表面压力与槽面积等温线，以及15 mN/m下MWCNT/P3DT单分子膜的BAM图像。（b）15 mN/m下转移到PDMS基底上的MWCNT/P3DT单分子膜的AFM图像。

电极厚度由转移到光滑玻璃基板上的MWCNT/P3DT单层电极上的AFM高度剖面获得。MWCNT网络的平均厚度约为30 nm，与MWCNT的预期直径相对应。由于在这些高度剖面上不容易检测到非常薄的P3DT连续相，因此从LS转移到玻璃衬底上的纯P3DT单分子膜上可获得2 nm的厚度。因此，复合单层电极的厚度根据两种成分的厚度在2 nm和30 nm之间变化（补充数据，第5节，图S4）。

3.1.1.2.单层电极表面电阻：随时间变化的稳定性。由于导电聚合物的掺杂可显着增加其电子导电性[29]，因此对掺杂和未掺杂纯P3DT单层的表面电阻（见第2.4.1节）进行了比较。通过与纯P3DT单分子膜的比较，强调了MWCNT在MWCNT/P3DT复合单分子膜中的作用。

未掺杂和掺杂P3DT单分子膜（不含MWCNT）的表面电阻随时间的变化如图4所示。掺杂P3DT单层膜的表面电阻在掺杂后立即呈现约20MΩ/DEAs的可接受值。然而，由于渐进的去掺杂过程，电阻随时间增加，24小时后达到80 GΩ/的高稳定值。由于DEA应用中电极电导率必须保持稳定，因此不能使用基于掺杂P3DT单层的电极。未掺杂的P3DT单分子膜的初始表面电阻为GΩ/，几小时后增加约一个数量级，最终达到一个稳定的高值(∼因此，未掺杂的P3DT单分子膜也不随时间稳定，不能用作DEAs的电极。

图4。DOPEDP3DT、undopedP3DT和UNDOPEDMWCNT/P3DT单层电极的表面电阻随时间的变化。

对于由未掺杂的P3DT和多壁碳纳米管组成的复合单分子膜，测量的初始表面电阻约为20 MΩ/M，比未掺杂的P3DT低两个数量级。该值接近新掺杂P3DT的测量值，但是，多壁碳纳米管的存在大大提高了表面电阻稳定性，即使在48小时后仍保持稳定（图4）。这一结果表明，在未掺杂P3DT的存在下，复合单分子膜的电子性质主要由多壁碳纳米管控制。

作为未掺杂MWCNT/PT电极时间函数的表面电阻与PT侧链长度无关（补充数据，第6节，图S5）。具有两个PTs的电极在48小时内呈现稳定的表面电阻，其值几乎相似(∼40兆欧/）。虽然PT的侧链长度通常对大块材料的电子性质有显着影响[30]，但由于复合单分子膜的电子性质主要由MWCNT网络控制，因此此处未观察到任何影响。

两种MWCNT/PT复合单分子膜的表面电阻值均为DEAs可接受的值[17]。DEA必须根据其充电时间进行评估，即RC时间常数（见第3.2节）。

3.1.2.不同拉伸条件的影响

由于MWCNT/P3HT和MWCNT/P3DT系统的表面电阻和形貌非常相似，因此在不同拉伸条件下进行的电极表征仅在MWCNT/P3DT单分子膜上进行。研究了不同拉伸条件下MWCNT/P3DT复合单分子膜的形貌。然后描述了作为应变函数的表面电阻。最后，测量了电极的杨氏模量。

3.1.2.1.不同PDMS膜拉伸条件下MWCNT/P3DT电极的形态。如上所述，在转移到100μm厚PDMS衬底上的MWCNT/P3DT单分子膜上进行电极表征。为了研究MWCNT/P3DT电极覆盖的PDMS基板拉伸时表面形貌的可能变化，在不同拉伸条件下拍摄AFM图像（图5和补充数据，第7节，图S6）。

图5。MWCNT/P3DT单层电极的AFM图像。（a）在20%单轴应变下。（b）在100%单轴应变后恢复到0%应变。（c）在10个周期后，以60%单轴应变恢复到0%应变。（d）在0%单轴应变下，不施加任何应变。箭头指示拉伸方向。

从图5a（施加在PDMS基板上的20%单轴应变）可以看出，WCNT在拉伸方向上轻微变形，但保持互连。对于应变为0%的器件，在100%单轴应变后或在60%单轴应变的10个周期后拍摄，AFM图像显示互连的MWCNT网络，表明拉伸至100%（图5b）或在60%单轴应变的10个周期后（图5c）不会破坏网络。对于所有拉伸条件，与未施加任何应变的样品相比，一旦样品松弛至0%应变，则在该长度范围内未检测到显着的形态变化（图5d）。

3.1.2.2.施加应变对电极表面电阻的影响。基于两个样品，MWCNT/P3DT复合单分子层的表面电阻随施加应变的变化如图6所示（见第2.4节）。

图6。转移到100μm厚PDMS基底上的MWCNT/P3DT单层的表面电阻与应变（a），从20%应变开始，直到100%，在同一样品上进行20%的步骤，每次拉伸后释放到0%。（b）在单轴应变为60%的10个周期内（每个周期之间延迟30秒）。

图6a显示了在20%和100%之间增加最大应变的不同连续循环中，样品表面电阻的变化。仅显示拉伸循环。在前20%应变期间，电阻增加约一个数量级，表明MWCNT网络内的互连比降低。当恢复到0%应变时，电阻没有达到其初始值，而是增加了6倍。这突出了由于机械变形导致的电性能的不可逆变化。随着最大施加应变的增加，每个循环都会发生这种情况。然而，可以观察到，在恢复到0%应变后，表面电阻的增加在60%应变以上不太明显。值得注意的是，单层电极在100%单轴应变下仍保持导电。

为了了解电阻的变化是与循环次数有关还是与最大应变有关，将另一个样品反复拉伸至60%的恒定最大应变。图6b显示了10个拉伸循环中每个循环的表面电阻变化。值得一提的是，上升和下降循环的终点并不呈现完全相同的值，这是由于每次测量期间的30秒延迟造成的。在第一个循环中，表面电阻增加约一个数量级∼317 MΩ/当应变在0%到60%之间变化时。可以观察到，由于两个样品经历了不同的历史，该变化低于图6a中考虑的样品在60%应变下获得的变化。人们还可以注意到，在最初的40%应变期间观察到了主要的演变。如前所述，在恢复到0%应变后，表面电阻在拉伸前不会恢复其值，这意味着MWCNT网络互连发生不可逆转的变化。对于随后的9个循环至60%线性应变，表面电阻不会发生剧烈变化。因此，即使单层电性能在第一次拉伸循环期间发生退化，样品也可以在相当大的应变下进行多次连续循环，而电极表面电阻没有显著变化。通过比较图6a和图b，可以得出结论，单层电极的降解主要与最大施加应变有关。

3.1.2.3.电极杨氏模量。图7显示了10μm厚裸PDMS基板和由相同PDMS基板组成的双层（由WCNT/P3DT单层电极覆盖）的应力-应变曲线示例。对于裸PDMS基底和PDMS/电极双层，分别提取34.1 kPa和40.8 kPa的杨氏髓。然后根据公式（3）推导出0.08±0.03 N/m的叶氏值。由于复合单分子膜由嵌入在2 nm厚P3DT单分子膜内的30 nm厚互连MWCNT网络组成（第3.1.1.1节），因此可将电极电极的杨氏模量计算为所用电极厚度的3倍之间。±1和37±14 MPa，取决于使用的电极厚度。

图7。裸PDMS基板和覆盖MWCNT/P3DT单层电极的相同PDMS基板的应力-应变曲线，允许测定单层刚度。

还测量了纯P3DT单分子膜（不含MWCNT）的杨氏模量以进行比较。获得0.07±0.03 N/m的YPT*tPT值，使用2 nm作为电极厚度，得到37±16 MPa的YPT值。对于纯P3DT和MWCNT/P3DT单分子膜，获得了几乎相同的Y*t值。因此，可以推断，在复合单分子膜中，P3DT连续相对杨氏模量起主导作用。嵌入P3DT单层内的MWCNT网络的存在不会显着增加单层的刚度。

复合MWCNT/P3DT单层电极的表面电阻约为20 MΩ/，在100%线性应变下保持导电，与超薄DEA（1 MPa×1.4.10）中使用的1.4μM厚PDMS膜的YPMDS*tPDMS产物相比，显示出较小的Ye*te产物（0.08 N/M）−6米=1.4牛顿/米）。所有这些特性为制备低压操作DEA提供了一种有前途的电极材料。

3.2.100 V操作DEA，带有可拉伸MWCNT/P3DT单层电极

通过在1.4μm厚的悬浮预拉伸PDMS膜的两侧形成可拉伸MWCNT/P3DT复合单层电极的图案来制造介电弹性体致动器（参见第2.6节）。在我们开展工作之前，极薄DEA中限制应变的一个重要因素是电极的硬化冲击[16]。MWCNT/P3DT单层电极为DEA增加的刚度非常小，在100V下具有良好的应变，但这种薄电极具有更高的电阻率，限制了器件速度。因此，我们在此报告DEA的应变和速度数据。

制造的DEA活性区的线性应变在图8a中绘制为施加电压的函数。这台设备是最薄的脱漆设备。在驱动电压低于100V的情况下，首次获得了远高于1%的失活应变。100V驱动电压获得4.0%线性应变，对应于400%/kV2的Sx/V2值。该值是Poulin等人[16]报告值的三倍。应变与真实电场的关系如补充数据所示（第8节，图S7）。尽管弹性体非常薄，但该曲线与较厚Sylgard 186膜的典型数据吻合良好。

图8。由1.4μm厚PDMS膜和单层电极组成的DEA的表征。（a）应变与电压曲线，显示100V时约4%的线性应变。（b）应变与驱动频率曲线。

记录驱动应变与驱动频率曲线，如图8b所示。对于低于约0.2 Hz的频率，应变是恒定的，对于更高的频率，应变减小。机电3 dB点出现在1 Hz时。两个主要原因可能导致响应速度非常低：充电时间和粘弹性损耗。

DEA的充电时间也可以近似为RC，其中R是电极（包括馈线）的总电阻，C是DEA的电容。在100V（即4%应变）下，两个电极的总电阻为860 MΩ，DEA的电容计算为1.4×10−10 F.计算的RC时间常数为120 ms。

DEA的充电时间常数是通过记录流向DEA的电流以响应驱动电压的阶跃而通过实验确定的。观察到经典的电流跳跃和指数衰减，从中提取出150 ms的充电时间常数。在RC电路的高度简化模型中，RC时间常数对应于电压达到其最大值63.2%的时间。给定DEAs的二次响应，63%的电压对应于最大应变的40%。使用100V作为我们的驱动电压，可以在图8a中看到，63V的线性应变为1.5%。从100V下的应变与充电时间曲线图（见补充数据，第8节，图S8），125 ms和250 ms之间达到1.5%的线性应变，与充电时间一致。

因此，总体响应速度主要可以用充电时间常数来解释。由于弹性体的粘弹性响应，响应时间的分量也很小。鉴于我们之前使用类似硅弹性体的kHz DEA经验，我们预计后者会非常小[3]。