שיטת ייצור למוליכים מאוד מתיחה עם Nanowires הכסף

Summary

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

Abstract

האלקטרוניקה stretchable מזוהות כטכנולוגיה מפתח ליישומים אלקטרוניים בדור הבא. אחד האתגרים בייצור של מכשירים אלקטרוניים מתיחה היא ההכנה של מנצחי מתיחה עם יציבות מכאנית גדולה. במחקר זה, שפיתחנו שיטת ייצור פשוטה להלחמה כימית נקודות המגע בין nanowire כסף רשתות (AgNW). nanomesh AgNW הופקד ראשון בשקופית זכוכית באמצעות שיטת ציפוי תרסיס. דיו תגובה המורכב מחלקיק כסף מבשרים (AgNPs) יושם על התרסיס מצופה סרטים דקים AgNW. לאחר החימום במשך 40 דקות, AgNPs נוצרו מועדף על צמתים nanowire לרתך nanomesh AgNW, וחיזק את רשת הניצוח. הסרט הדק AgNW שינוי כימי שהועבר לאחר מכן לפוליאוריטן (PU) מצעים ידי יציקת שיטה. הסרטים הדקים AgNW מולחמים על פו הציגו שום שינוי ברור במוליכות חשמליות במתיחה או רולןתהליך גרם עם התארכות זנים עד 120%.

Introduction

מכשירים אלקטרוניים לעיוותים עם להימתח גדול זוהו כחלקים קריטיים למימוש אלקטרוניקה לביש ונייד בדור הבא. ¹ אלה מכשירים אלקטרוני המתיחה להראות לא רק גמישות רבה כמכשירים אלקטרוניים אלה על יריעות פלסטיק, ^{2, 3,} אלא גם מפגינים מצוין ביצועים בתנאי מתיחה או מתפתלים חמורים. ⁴ כדי לממש את האלקטרוניקה המתיחה, יש צורך בחומרים עם ביצועים חשמליים גדולים תחת עיוות גדולה. הפיתוחים אחרונים במדעי חומר הראו את האפשרות לסנתז חומרים תפקודיים כגון והשתמש בהם לעיצוב התקני אופטו מתיחת ^5-9 עם סובלנות רבה לעיוותי צורה מורכבות. בין כל החומרים תפקודיים האלקטרוניים, מנצחי מתיחה נחוצים כדי לספק חשמל להתקני אופטו אלה ובכך הם בעלי חשיבות קריטית לביצועי מכשיר.בגלל חומרים מוליכים רגילים, כמו מתכת או תחמוצת אינדיום בדיל, חוסר החוסן מכאני תחת עיוות גדולה, חיבורים עשויים מחומרים אלה אינם מסוגלים להציג מוליכות חשמלית טובות תחת מתיחת תהליך. לפיכך, מצעי אלסטי מכוסים בשכבה דקה של חומרים מוליכים גמישים, כגון ננו-צינורות פחמן, גראפן ^{1, 10} או AgNWs, ^11-14 מיועדים למנצחים עם להימתח מצוין. בגלל המוליכות גבוהות בתפזורת, סרטים דקים AgNW הוכחו להיות החומר המבטיח ביותר למנצחי מתיחה מורכבים. ¹³ רשתות חלחלו של סרטים דקים AgNW יעילות יכולה להכיל עיוותים אלסטיים גדולות במתיחת תהליך עם מוליכות חשמליות גדולות, והם נחשבים כ מועמד אלקטרודה מתיחה מבטיח. כדי ליישם סרטים דקים AgNW כמנצחי מתיחה, יש צורך יש לי מגעים חשמליים יעילים בין AgNWs. לאחר תצהיר נוזליייבוש ד על משטחי מצע, AgNWs מחסנית באופן קבוע יחד כדי ליצור רשת חלחלה עם נקודות מגע רופפות, שתנבנה בהתנגדויות חשמליות גדולות. לפיכך, אחד צריך לחשל את מגעים בין ננו-חוטים בטמפרטורה גבוהה או בלחץ גבוה שיטות חישול ^15-20 להפחית את ההתנגדויות ליצירת קשר.

בניגוד לתהליכי חישול אלה בספרות, כאן, נדגים שיטה כימית פשוטה כדי לחשל AgNW חיבורי רשת בתנאי מעבדה רגילים. ²¹ תהליך הייצור מוצג באיור 4 א. דיו תגובתי משמש לדבקוק תרסיס סרטים דקים AgNW מצופים על צלחת זכוכית. לאחר תגובה, הקשר בין ננו-חוטים מכוסים בכסף ולכן רשת AgNW היא מולחם כימית יחד. שיטה יצוקה וקליפה משמשת אז כדי להעביר את רשת AgNW המולחם למצע פו מתיחה כדי ליצור מנצח מורכב, אשר יכול להציג שום שינוי ברור שמוליכות חשמלית n אפילו בזן מתיחה גדול של 120%.

Protocol

1. הכנת הכסף מבשר הדיו

1. להוסיף 1.85 גרם של Diethanolamine (DEA) ב3.15 מיליליטר deionized מים.
2. ממיסים 0.15 גרם של חנקה כסף ב 5 מיליליטר deionized מים.
3. מערבבים את תמיסת הכסף חנקה המימית עם DEA ביחס של 1: 1 נפח ליש לי דיו מבשר 10 מיליליטר כסף ממש לפני השימוש.

2. ייצור של המתיחה ואטימה Thin Films

1. הכנת דיו AgNW
   1. לדלל 2 מיליליטר של 0.5% בWT AgNWs isopropanol עם 18 מיליליטר מים deionized.
   2. למקם אותו באמבטיה קולית במשך 30 שניות על 25 מעלות צלזיוס.
2. המצאה של סרטים דקים AgNW על ידי ציפוי אוטומטי ריסוס
   1. חותך סטנדרטי שקופיות מיקרוסקופ לחתיכות בגודל שווה ל1 × 2.5 סנטימטר ^2. הכן 16 חתיכות זכוכית בגודל זה ולנקות אותם עם רקמת ניקוי עדשה רטובת אתנול.
   2. העברת דיו 16 מיליליטר AgNW (מסעיף 1) לתוך כוס הצבע של airbrush עם טפטפת. הר airbrush על רובוט מבוקר מחשב לציפוי תרסיס.
   3. הנח 8 חתיכות זכוכית ב4 × 2 הסדר על הבמה ולתקן אותם עם קלטות עמידות בחום. השטח הכולל של כל מצעי הזכוכית על הבמה הוא 4 × 5 סנטימטר ^2.
   4. להגדיר לחץ עבודה וטמפרטורת שלב חימום בבר 3 ו 100 מעלות צלזיוס, בנפרד.
   5. פתח את תוכנת שליטת רובוט. לחץ כדי לבחור רצף פקודת תנועת מברשת תחת עמודת "הפיקוד". סוג בפרמטרי קלט דרושים כדי להשלים את תכנית הריסוס האוטומטי, כפי שמוצג באיור 1. הפעל את התכנית.
      הערה: הפקודה "מהירות קו" הופכת את הנסיעה airbrush ב 200 מ"מ / sec. על ידי הפקודה "אזור המברשת", airbrush נע קדימה ואחורה לכיוון הצד הקצר של מערך מצע זכוכית בעת מהלכי השלב לאורך הכיוון של הצד הארוך והחלל שבין שתי פעימות הוא 5 מ"מ. "התחל הקו" ו- "ליןדואר הסוף "פקודות לקבוע את העמדות של נקודות התחלה וסיום מבצע ריסוס האוטומטי. העמדות שלהם תלויות בעמדה של מערך מצע זכוכית על הבמה." פקודת חכה נקודה "קובעת זמן ההמתנה של 20 שניות ב בסוף כל מחזור הריסוס אוטומטי. "לולאת כתובת" הפקודה מאפשרת מחזורי תרסיס מרובים ומספר מחזורי ריסוס האוטומטי הוא 15 פעמים. ניתן למצוא הוראות מפורטות יותר של פקודות בפרוטוקול של היצרן.
   6. לשנות את מספר מחזורי ריסוס האוטומטי ל -30 פעמים. חזור על השלבים 2.2.3 - 2.2.5 לפברק סרטים דקים AgNW של 30 מחזורי ריסוס.
   7. לאחר ציפוי תרסיס, לאפות סרטי כסף nanowire דקים על צלחת חמה ב 120 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות.
3. תהליך הלחמה כימי
   1. יצוק 400 μl של דיו מבשר כסף על כל סרט מצופה תרסיס nanowire הכסף דק על מצע הזכוכית.
   2. אופים את הסרטים על צלחת חמה ב 100 ו# 176; C במשך 40 דקות.
   3. יש לשטוף את ציפוי התגובה בזהירות עם מים ללא יונים כדי להסיר שאריות כימיות בלתי-ואוויר יבש סרטים המצופים.
4. עופרת-קילוף תהליך
   1. יצוק 200 μl תחליב PU בסיס מים זמין מסחרי על כל סרט כסף ננו-מרוכבים דקים על מצע הזכוכית.
   2. אוויר יבש הסרטים במשך 10 שעות על מנת להבטיח התמצקות מלאה.
   3. לקלף את הדגימות מזכוכית מצעי סרטים מרוכבים שעמדו חופשי.

3. אפיון

1. בדיקת מתיחה
   1. הפעל את השלב ליניארי ממונע ולחכות 10 דקות למכונה להתחמם.
   2. פתח את תוכנת שליטת שלב. הגדר את מספר הצעדים הנעים של המנוע כ8,000. לחץ על "X +" בתוכנת שליטת במה כדי להעביר את השלב הנייד עד שהוא נוגע בשלב הקבוע ולחץ על "SET 0" כדי לקבוע את המיקום של tהוא שלב נייד כמו אפס בתוכנת שליטת שלב.
      הערה: השלב הנייד נע .00125 מ"מ בצעד אחד של המנוע. לדוגמא, השלב הנייד נע 1 סנטימטר אם המנוע נע 8,000 צעדים. בתוספת הסימן "X +" פירושו שמהלכי השלב הניידים בכיוון של התקרבות שלב קבוע בזמן שהסימן השלילי של "X-" פירושו מתרחק מהשלב הקבוע.
   3. לחץ על "X-" כדי להזיז את הבמה הניידת להשאיר מקום 1 סנטימטר בין השלב הנייד ונייח. Secure בשני הקצוות של המדגם עם בעלי קווית על השלבים. וכך, באזור המשתרע מהמדגם הוא 1 × 1 סנטימטר ^2. ההתקנה של מתיחת מכונה מוצגת באיור 2.
   4. השתמש בקליפים התנין, שהם קצוות האחרים של כבלי החיווט למחזיקי השלב (איור 2), כדי להתחבר למודד הדיגיטלי למדידת התנגדות.
   5. הגדר את מספר הצעדים המרגשים של המנוע כמו "X-" 800. לחץ כדי movדואר מ"מ הנייד שלב 1 (זן 10%) מהשלב הקבוע כדי למתוח את המדגם ולהקליט את ההתנגדות. חזור על פעולה זו עד להתנגדות מגבירה באופן משמעותי (~ זן 150%).
2. בדיקת יציבות
   1. הכן את המבחן כמו בשלבים 3.1.2 - 3.1.4.
   2. פתח את תוכנת מודד הדיגיטלית. חבר את מודד הדיגיטלי למחשב. לחץ לחיצה ארוכה על לחצן "REL Δ" על מודד הדיגיטלי עד סמל מחשב מופיעה בפינה השמאלית העליונה של מסך מודד הדיגיטלי. לחץ על "חיבור USB" בתוכנת מודד הדיגיטלית והתוכנה מתחילה להקליט התנגדויות נמדדו.
   3. הזן את הפקודות לשדות הקלט בלוח התכנית של תוכנת שליטת שלב כפי שמוצג באיור 3 הפקודה. ": U-4000" פירושו להעביר את השלב הנייד 4,000 צעדים מהבמה קבועה ואילו הפקודה: אמצעי "U4000" כדי להזיז את הבמה הניידת 4,000 צעדים אחורהלבמה קבועה (4,000 למתח של 50%, 8,000 100 מתח%). מספר מחזורי מתיחה הוא 15 פעמים. מהירות ברירת המחדל של השלב הנייד היא 1 מ"מ / sec.
   4. לחץ על "הפעל 123" בפנל התכנית של תוכנת שליטת במה כדי לבצע את התכנית האוטומטית. מהלכי השלב הניידים בתנועת הדדיות כדי למתוח את המדגם עם מחזורי התארכות של צורת גל משולשת.
   5. לחץ על סמל לחסוך בתוכנה מודד ולייצא את הנתונים של פרופילי תגובת התנגדות כקובץ .xls.
3. בדיקת תאורת LED
   1. הכן את המבחן כמו בשלבים 3.1.2 - 3.1.3. חבר את בעלי קווי בסדרה עם LED ואספקת חשמל.
   2. הפעל את אספקת החשמל. להגדיל את המתח עד 9 V להדליק את הנורית.
   3. לחץ על "X-" כדי להזיז את מ"מ (זן 10%) הנייד שלב 1 מבמה קבועה כדי למתוח את המדגם ולצלם להקליט את הבהירות של LED. חזור על פעולה זו עד לאור LED הופך עמום. היזהר שאוטומטי החשיפה של המצלמה צריכה להיות כבויה בעת צילום תמונות.

תוצאות

המורפולוגיה של הסרט הדק AgNW לאחר תהליך הלחמה כימי מוצגת באיור 4. AgNPs התאושש לגדול באופן מועדף על פני השטח של AgNWs ולעטוף מעל צמתים חוט / חוט. איור 5 מראה את השינוי בהתנגדות גיליון עם זני התארכות שימושיים לunsoldered והסרטים הדקים המולחמות המ...

Discussion

תהליך ההלחמה הכימית יכול לעזור לחזק את הקשר בין ננו-חוטים הכסף. כפי שניתן לראות באיור 4, צמתים חוט / חוט מכוסים כסף לאחר החלת דיו כסף התגובה על התרסיס מצופה שכבה דקה AgNW. התאוששות הכסף מסתמכת מאוד על פורמלדהיד שנוצר מפירוק DEA, ובכך תהליך ההלחמה או הפחתת כסף יכול ?...

Materials

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