銀納米線導電薄膜制備與電鍍修飾及性能

發(fā)布時間：2020-04-19 17:08

【摘要】：隨著納米技術和印刷電子技術的崛起,電子器件不斷向柔性化和可穿戴化的方向發(fā)展,柔性電子(Flexible electronics)已然成為學術界和產(chǎn)業(yè)界中研究的前沿之一,在全世界范圍內掀起了一場全新的電子技術革命。柔性透明導電薄膜作為柔性器件的核心組件,其性能和穩(wěn)定性將決定柔性器件的服役可靠性及應用范圍。因此,制備高性能、高可靠的柔性導電薄膜對于推動柔性電子的發(fā)展具有重要的意義。由于銀納米線導電薄膜具有優(yōu)異的光電性能,被認為可用于柔性器件的理想材料。然而,銀納米線導電薄膜在使用過程中性能會逐漸劣化,長期工作穩(wěn)定性差,極易導致器件失效。為推進銀納米線導電薄膜的大規(guī)模應用亟需開發(fā)出一種簡單、便捷、有效的穩(wěn)定性增強技術。本文創(chuàng)新性地提出采用電鍍法制備銀納米線透明導電薄膜,通過在銀納米線表面電鍍防護層,實現(xiàn)了銀納米線之間的有效連接,降了低納米線間接觸電阻,同時大幅增強了導電薄膜的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性及機械穩(wěn)定性,制備出了高性能、高可靠的柔性導電薄膜。最后,成功地將這種增強型透明導電薄膜應用于可穿戴加熱器件中,拓寬了銀納米線導電薄膜在柔性與可穿戴電子中的應用范圍。結合銀納米線的晶體學結構對其生長機制進行分析,闡明了銀納米線各向異性形核與定向生長的離子調控機制,并對影響銀納米線生長過程的主要因素進行了系統(tǒng)研究。明確了不同反應參數(shù)在銀納米線不同生長階段中的作用:反應溫度影響銀的還原速度和納米線的生長速度;離子濃度影響銀的形核速度和納米線的長度;氧與溶液離子相互作用在形核階段促進銀形核,在生長階段阻礙納米線的生長;PVP的濃度則影響納米線最終的直徑。利用透射電子顯微鏡對合成的銀納米線進行表征,明確了銀納米線是由{100}和{111}外表面組成的棱柱-棱錐五重旋轉對稱結構,孿晶面為{111}面,孿晶面間的縫隙則由孿晶帶和層錯構成。針對銀納米線的生長特點改變試劑參數(shù)和反應條件,成功制得最長平均長度達100μm的銀納米線。將電鍍法應用于納米尺度連接,提出了利用電鍍法連接銀納米線導電薄膜方法,實現(xiàn)了大氣環(huán)境下PET基底上銀納米線網(wǎng)格的室溫快速連接,鍍層在納米線上選擇性沉積避免了涂層對透明導電薄膜透光率的影響。經(jīng)過電鍍修飾后的銀納米線透明導電薄膜透光率大于85%,方阻低于10Ω/sq�；贜ernstEinstein方程與Tohru理論,從晶體生長和電鍍電極電場條件出發(fā),闡明了電鍍電流大小與鍍層形貌的關系:電鍍電流越大鍍層晶粒越細表面粗糙度越低,但受鍍液濃度限制存在極限電流,超過極限電流后會造成鍍層形貌失控�？紤]到鍍層與基體之間的晶格匹配問題,明確了不同材料的晶格配位關系:鎳層和銀基體的晶格以(111)面匹配,其失配度為15.98%,而銀層與銀基體不存在晶格失配問題。因此銀鍍層和鎳鍍層在銀納米線表面生長機制不同:鎳層的生長方式基于S-K模式(混合生長),而銀層的生長基于F-M模式(層狀生長),導致不同鍍層材料最終的微觀形貌產(chǎn)生差別。鎳鍍層有效提高了納米線導電薄膜的長期工作穩(wěn)定性,相比于純銀納米線導電薄膜和電鍍銀納米線導電薄膜,電鍍鎳處理后的導電薄膜的熱穩(wěn)定性、抗電化學遷移性能、抗氧化性能、長期存儲穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性均大幅提高。純銀納米線具有瑞利不穩(wěn)定性,無法在高溫下保持穩(wěn)定工作。而經(jīng)電鍍鎳處理后銀納米線的熱穩(wěn)定性顯著提高,在200℃下加熱30 min后形貌未出現(xiàn)明顯變化。鎳鍍層在空氣中能夠形成致密的氧化層,防止內部銀納米線受到外界環(huán)境侵蝕,電鍍鎳導電薄膜在NaCl溶液中浸泡1000 s性能沒有明顯變化。在抗電化學遷移測試中,采用直徑為125 nm的銀納米線在1.64 s后即失效,而電鍍鎳后導電薄膜通電時間提升至453.70 s。經(jīng)三個月存儲后,電鍍鎳導電薄膜的方阻和透光率仍舊沒有出現(xiàn)顯著變化,導電薄膜中硫元素含量也保持著較低水平。電鍍鎳層有效避免了銀納米線在長期存儲過程中的氧化和硫化問題。電鍍后銀納米線之間形成了緊密連接,導電薄膜的機械穩(wěn)定性有所提高,循環(huán)彎折4000次后導電薄膜的電阻依舊十分穩(wěn)定。利用電鍍處理后的導電薄膜制備了可穿戴加熱器件。制備出的電鍍鎳柔性加熱器最高工作溫度可達170℃,經(jīng)過120 min長時間通電測試和145次循環(huán)通電測試后加熱器仍能穩(wěn)定工作,表現(xiàn)出了高穩(wěn)定性�？梢灶A見,經(jīng)電鍍修飾的導電薄膜在柔性電子領域具有廣闊的應用前景。
【圖文】：

示意圖,納米線,過程,示意圖

制備出單一材料納米線，還可以制備復合材料納米線[29]。圖1-2展示了以AAO為模板制備復合材料納米線的流程[30]。圖 1-2 模板法制備納米線過程的示意圖[30]Fig. 1-2 Schematic diagram of the process for preparing nanowires by template method[30]

銀納米線,水熱法合成