Ein Herstellungsverfahren für hochverstreckbare Leiter mit Silber Nanodrähte

Zusammenfassung

A simple synthesis method is used to chemically solder silver nanowire thin film to fabricate highly stretchable and conductive metal conductors.

Zusammenfassung

Dehnbare Elektronik werden als Schlüsseltechnologie für elektronische Anwendungen der nächsten Generation identifiziert. Eine der Herausforderungen bei der Herstellung von dehnbaren elektronischen Geräte ist die Herstellung von dehnbaren Leiter mit großer mechanischer Stabilität. In dieser Studie wurde ein einfaches Herstellungsverfahren chemisch löten Sie die Kontaktpunkte zwischen Silber-Nanodraht (AgNW) Netzwerken entwickelten wir. AgNW nanomesh wurde zunächst auf einem Glasobjektträger über Sprühbeschichtungsverfahren abgeschieden. Eine reaktive Tinte der Silber-Nanopartikel (AGNPS) Vorstufen zusammengesetzt wurde über die sprühbeschichteten AgNW Dünnfilme aufgebracht. Nach dem Erwärmen für 40 Minuten wurden AGNPS bevorzugt gegenüber den Nanodraht-Übergänge, die AgNW nanomesh löten erzeugt und verstärkt die leitende Netzwerk. Das chemisch modifizierte AgNW Dünnfilm wurde dann auf Polyurethan (PU) Substrate durch Gussverfahren transferiert. Die gelöteten AgNW Dünnschichten auf PU zeigte keine offensichtliche Änderung der elektrischen Leitfähigkeit unter Dehnung oder rolling Prozess mit Dehnung Stämme bis zu 120%.

Einleitung

Verformbaren elektronischen Geräten mit großer Dehnbarkeit als kritisch Teile zur Realisierung integrierte und tragbare Elektronik in der nächsten Generation identifiziert. ¹ Diese dehnbaren elektronischen Vorrichtungen zeigen nicht nur eine hohe Flexibilität wie diese elektronischen Geräte auf ^{Kunststoffplatten,} 2, ^{3, sondern auch} eine ausgezeichnete Leistung unter schweren Strecken oder Verdrehen Bedingungen. ⁴ Zu erkennen, die dehnbare Elektronik, Materialien mit großen elektrischen Leistung unter starken Verformung erforderlich ist. Jüngste Fortschritte in der Materialwissenschaften haben die Möglichkeit, solche funktionellen Materialien zu synthetisieren gezeigt und haben sie verwendet, um dehnbare optoelektronischen Bauelementen ^5-9 mit großer Toleranz gegenüber komplexen Form Verformungen zu entwerfen. Unter allen elektronischen funktionalen Materialien dehnbaren Leiter erforderlich, um elektrische Leistung zu diesen optoelektronischen Bauelementen zu liefern und sind von entscheidender Bedeutung für die Leistung der Vorrichtung bei.Weil regelmäßige leitenden Materialien, wie Metall oder Indium-Zinnoxid, mangelnde mechanische Robustheit unter großen Verformungen, sind Verbindungen aus diesen Materialien nicht in der Lage eine gute elektrische Leitfähigkeit unter Streckprozess aufweisen. Somit elastische Substrate mit einer dünnen Schicht eines flexiblen, leitfähigen Materialien, wie ^{Kohlenstoff-Nanoröhre,} 1 Graphen ^{10 oder} AgNWs ^abgedeckt, 11-14 sind für Leiter mit ausgezeichneter Dehnbarkeit gestaltet. Aufgrund der hohen Masse-Leitfähigkeit haben AgNW dünnen Filmen gezeigt worden, um das vielversprechendste Material für Verbund dehnbaren Leiter zu sein. ¹³ Die sickert Netzwerke von AgNW Dünnfilme können effektiv in Reckvorgang mit großer elektrische Leitfähigkeit unterzubringen großen elastischen Verformungen und gelten als eine viel versprechende dehnbare Elektrode Kandidaten. Um AgNW Dünnfilme als dehnbare Leiter umzusetzen, ist es notwendig, wirksame elektrische Kontakte zwischen AgNWs haben. Nach Flüssigkeitsabscheidung eind Trocknung auf Substratoberflächen, AgNWs regelmäßig aufeinander zu stapeln, um einen sickert Mesh mit losen Kontaktstellen, die in großen elektrischen Widerstände ergeben bilden. Somit muss man, um die Kontakte zwischen den Nanodrähten durch Hochtemperatur-oder Hochdruck Glühverfahren ^15-20 tempern, um die Kontaktwiderstände zu verringern.

Im Gegensatz zu diesen Glühprozesse in der Literatur, hier werden wir eine einfache chemische Verfahren zeigen, den AgNW Netzwerkverbindungen unter normalen Laborbedingungen zu glühen. ²¹ Der Herstellungsprozess ist in 4A gezeigt. Eine reaktive Tinte verwendet wird, um das Spray zu sintern beschichtet AgNW dünne Filme auf einer Glasplatte. Nach der Reaktion werden die Kontakte zwischen den Nanodrähten mit Silber überzogen und damit die AgNW Netzwerk chemisch miteinander verlötet. Gegossener-and-Peel-Methode wird dann verwendet, um den gelöteten AgNW Netzwerk zu einem dehnbaren PU Substrat zu übertragen, um eine Verbundleiter, der keine offensichtliche Änderung aufweisen kann, Form In elektrische Leitfähigkeit auch bei großen Dehnung von 120%.

Protokoll

1. Herstellung der Silber-Precursor Ink

1. In 1,85 g Diethanolamin (DEA) in 3,15 ml entionisiertem Wasser.
2. Aufzulösen 0,15 g Silbernitrat in 5 ml entionisiertem Wasser.
3. Vermischen der wässrigen Silbernitratlösung mit DEA in einem 1: 1 Volumenverhältnis zu 10 ml Silbervorläufer Tinte erst vor Gebrauch zu haben.

2. Herstellung von Stretchable Conductive Thin Films

1. Herstellung von AgNW Tinten
   1. 2 ml der 0,5 Gew% AgNWs in Isopropanol mit 18 ml entionisiertem Wasser.
   2. Legen es in Ultraschallbad für 30 sec bei 25 ° C.
2. Herstellung von AgNW dünnen Schichten durch Auto-Spritzbeschichtung
   1. Figurobjektträger in Stücke von der Größe gleich 1 × 2,5 cm ^2. Bereiten Sie 16 Glasstücke dieser Größe und reinigen Sie sie mit Ethanol benetzt Linsenreinigungstuch.
   2. Transfer 16 ml AgNW Tinte (aus dem Abschnitt 1) ​​in den Farbbecher des airbrUSH mit einer Pipette. Montieren Sie die Airbrush auf einem computergesteuerten Roboter für Spritzbeschichtung.
   3. Zeigen 8 von Glasstücken in einer 4 × 2-Anordnung auf der Bühne und befestigen Sie sie mit hitzebeständigen Bänder. Die Gesamtfläche aller Glassubstrate auf der Bühne 4 × 5 cm ^2.
   4. Stellen Sie Arbeitsdruck und Heizstufe Temperatur bei 3 bar und 100 ° C, getrennt.
   5. Öffnen Sie den Robotersteuerungssoftware. Klicken Sie auf das Bürstenbewegungsbefehlsfolge in der Spalte "Befehl" aus. Geben notwendigen Eingabeparameter, um die Auto-Spritzprogramm zu vervollständigen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Führen Sie das Programm.
      Hinweis: Der Befehl "Line Speed" ermöglicht die Airbrush-Reise bei 200 mm / sec. Durch das Kommando "Brush Area", bewegt sich die Spritzpistole hin und her in der Richtung der kurzen Seite des Glassubstrats Array, während die Plattform sich bewegt, entlang der Richtung der langen Seite und der Raum zwischen zwei Hüben ist 5 mm. Der "Zeilenanfang" und "Line End "Befehle bestimmen die Positionen der Start- und Endpunkt der Auto-Spritzvorgang. Die Positionen von ihnen sind abhängig von der Position des Glassubstrats Array auf der Bühne. Der" Befehl warten Point "setzt eine Wartezeit von 20 s in das Ende eines jeden Auto-Spritzzyklus. "Loop Adresse" Befehl können mehrere Spritzzyklen und die Zahl der Auto-Spritzzyklen ist 15-mal. Weitere detaillierte Anleitung der Befehle kann in dem Protokoll des Herstellers finden.
   6. Ändern Sie die Anzahl der Auto-Spritzzyklen in 30-mal. Wiederholen Sie die Schritte 2.2.3 - 2.2.5 auf AgNW Dünnfilme aus 30 Sprühzyklen herzustellen.
   7. Nach dem Sprühbeschichten, backen Silbernanodraht dünner Filme auf einer Heizplatte bei 120 ° C für 10 min.
3. Chemische Lötprozess
   1. Guss 400 ul Silbervorläufer Tinte über jede sprühbeschichtet Silbernanodraht-Dünnfilm auf dem Glassubstrat.
   2. Backen Sie die Filme auf einer heißen Platte bei 100 &# 176; C für 40 min.
   3. Spülen Sie die reaktiven Beschichtungen sorgfältig mit entionisiertem Wasser auf nicht reaktiven chemischen Rückstände zu entfernen und an der Luft trocknen die beschichteten Folien.
4. Cast-Peeling-Prozess
   1. Cast 200 ul Handel erhältlichen wasserbasierten PU-Emulsion über jeder Silber-Nano-Verbundwerkstoff-Dünnfilm auf dem Glassubstrat.
   2. Der Luft trocknen die Filme 10 Stunden zur vollen Verfestigung zu gewährleisten.
   3. Abziehen der Proben aus den Glassubstraten als freistehende Verbundfolien.

3. Charakterisierung

1. Dehnen Test
   1. Schalten Sie den Linearmotorstufe und warten Sie 10 min für die Maschine, um sich aufzuwärmen.
   2. Öffnen Sie die Bühnensteuerungssoftware. Stellen Sie die Anzahl der Bewegungsschritte des Motors als 8.000. Klicken Sie auf "X +" in der Bühnensteuerung Software, um die mobile Bühne zu bewegen, bis sie die feste Bühne berührt und klicken Sie auf "SET 0", um die Position von T eingestelltEr mobile Bühne als Null in der Bühnensteuerungssoftware.
      Anmerkung: Die mobile Bühne bewegt 0,00125 mm in einem Schritt des Motors. Zum Beispiel bewegt sich die mobile Bühne 1 cm, wenn der Motor bewegt 8.000 Schritte. Das Plus-Zeichen von "X +" bedeutet, dass die Bühne bewegt Handy in Richtung der Annäherung an festen Bühne, während das negative Vorzeichen von "X" bedeutet, weg von der Festphase.
   3. Klicken Sie auf "X", um die mobile Bühne zu bewegen, um 1 cm Raum zwischen der mobilen und festen Bühne verlassen. Sicherung der beiden Enden der Probe mit verdrahteten Halter auf die Bühnen. Dadurch wird der Zugbereich der Probe 1 × ¹ cm 2. Der Aufbau der Streckmaschine ist in Abbildung 2 dargestellt.
   4. Verwenden Sie die Krokodilklemmen, die die anderen Enden der Verdrahtungsleitungen auf die Bühne Halter (Abbildung 2) sind, um an den digitalen Multimeter zur Widerstandsmessung zu verbinden.
   5. Stellen Sie die Anzahl der bewegten Schritte des Motors wie 800. Klicken Sie auf "X" in MOVe die mobile Bühne 1 mm (10% Dehnung) von der Festphase, um die Probe zu dehnen und notieren Sie den Widerstand. Wiederholen Sie diesen Schritt, bis der Widerstand erhöht sich signifikant (~ 150% Dehnung).
2. Stabilitätstest
   1. Bereiten Sie den Test, wie in den Schritten 3.1.2 - 3.1.4.
   2. Öffnen Sie die Digital-Multimeter-Software. Schließen Sie das Digitalmultimeter an den Computer. Drücken Sie lange die "REL Δ" auf der Digital-Multimeter, bis ein Computer-Symbol erscheint in der oberen linken Ecke des Digital-Multimeter-Monitor. Klicken Sie auf "USB-Verbindung" in der Digital-Multimeter-Software und die Software beginnt gemessenen Widerstände aufzeichnen.
   3. Geben Sie Befehle in die Eingabefelder in der Programmoberfläche des Bühnensteuerungssoftware, wie in Abbildung 3 gezeigt, den Befehl. ": U-4000" bezeichnet, um die mobile Bühne 4000 Schritte von der Festphase, während der Befehl zu bewegen ": U4000" Mittel um die mobile Bühne 4.000 Schritte zurück bewegenzu der festen Stufe (4000 für 50% Dehnung, 8000 für 100% Dehnung). Die Anzahl der Streckzyklen 15mal. Die Standardgeschwindigkeit der mobilen Phase ist 1 mm / sec.
   4. Klicken Sie auf "Run 123" in der Programmoberfläche des Bühnensteuerungssoftware, die automatische Programm auszuführen. Die mobile Bühne bewegt sich in einer Hubbewegung, um die Probe mit Elongationsrunden der Dreieckswellenform zu dehnen.
   5. Klicken Sie auf das Symbol Speichern in der Multimeter Software und exportieren Sie die Daten der Widerstandsantwortprofile als .xls-Datei.
3. LED-Lichttest
   1. Bereiten Sie den Test, wie in den Schritten 3.1.2 - 3.1.3. Schließen Sie die Kabel Halter in Reihe mit einer LED und einem Netzteil.
   2. Schalten Sie die Stromversorgung. Erhöhen Sie die Spannung auf 9 V, um das LED-Licht.
   3. Klicken Sie auf "X", um die mobile Bühne 1 mm (10% Dehnung) von der festen Bühne zu bewegen, um die Probe zu dehnen und nehmen Sie ein Bild, um die Helligkeit der LED aufzeichnen. Wiederholen Sie diesen Schritt, bis dieLicht der LED wird dunkel. Achten Sie darauf, dass die Auto-Belichtung der Kamera sollte ausgeschaltet während der Aufnahme eingeschaltet werden.

Ergebnisse

Die Morphologie des AgNW Dünnschicht nach chemischer Lötprozess ist in 4B gezeigt. Zurückgewonnen AGNPS bevorzugt wachsen auf der Oberfläche des AgNWs und wickeln über die Ader / Ader Kreuzungen. Abbildung 5 zeigt die Variation der Schichtwiderstand mit applizierten Dehnungs Stämme für die abgelötet und den gelöteten dünnen Filmen, die verschiedene Menge AgNWs. Nach der chemischen Lötprozess kann AgNW Dünnfilmleiter mit hoher Leitfähigkeit b...

Diskussion

Die chemische Lötprozess kann dazu beitragen, den Kontakt zwischen Silber-Nanodrähten. Wie in 4b gezeigt, werden die Ader / Ader Kreuzungen mit Silber nach dem Auftragen der reaktiven Silbertinte auf das Spray beschichtet AgNW Dünnfilm bedeckt. Silber-Rückgewinnungs beruht stark auf der von DEA Abbau erzeugten Formaldehyds und damit das Lötverfahren oder Silber Reduktion kann mit zunehmender Temperatur beschleunigt wird. ^22. Da die Metalloberflächen der AgNWs wirksame Elektronenaustausc...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Silver nanowire	Sigma-Aldrich	778095-25ML	AgNW, 120 nm in diameter and 20-50 mm in length, 0.5 wt% in IPA
Silver nitrate crystal	Macron Fine Chemicals	MK216903
Diethanolamine	Sigma-Aldrich	D8885-500G
Polyurethane emulsion	First Chemical	20130326036	35 wt% water-based anionic polyester-polyurethane emulsion
Airbrush	Taiwan Airbrush & Equipment	AFC-sensor
Desktop robot	Dispenser Tech	DT-200
Digital dispenser controller	Dispenser Tech	9000E
Auto-spraying program	Dispenser Tech	Smart robot edit version 3.0.0.5
Air compressor	PUMA Industrial	NCS-10
Linear motorized stage	TANLIAN E-O	Customized
Stage control software	TANLIAN E-O	Customized
Digital multimeter	HILA INTERNATIONAL	DM-2690TU
Digital multimeter software	HILA INTERNATIONAL	NA
Power supply	CHERN TAIH	CT-605
LED	PChome	M08330766	http://www.pcstore.com.tw/sun-flower/M08330766.htm