Um método de fabricação para Condutores altamente extensível com prata Nanowires

Resumo

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

Resumo

Eletrônica elásticos são identificados como uma tecnologia fundamental para aplicações eletrônicas na próxima geração. Um dos desafios na fabricação de dispositivos eletrônicos elásticos é a preparação de condutores stretchable com grande estabilidade mecânica. Neste estudo, foi desenvolvido um método de fabricação simples para soldar quimicamente os pontos de contacto entre as redes de nanofios de prata (AgNW). AgNW nanomesh foi depositado em primeiro lugar sobre uma lâmina de vidro através do método de revestimento por pulverização. A tinta reativa composta de nanopartículas de prata (AGNPS) precursores foi aplicado sobre o spray revestido AgNW filmes finos. Após aquecimento durante 40 min, AGNPS foram gerados preferencialmente sobre as junções de nanofios para soldar o nanomesh AgNW, e reforçou a rede condutora. A película fina AgNW quimicamente modificada foi em seguida transferido para o poliuretano (PU) substratos por método de fundição. Os AgNW filmes finos soldadas na PU apresentaram nenhuma mudança óbvia na condutividade elétrica sob alongamento ou rolandog processo com alongamento cepas até 120%.

Introdução

Dispositivos eletrônicos deformáveis ​​com grande capacidade de estiramento foram identificados como áreas críticas para a realização de eletrônicos vestíveis e portáteis na próxima geração. ¹ Esses dispositivos eletrônicos esticáveis ​​mostrar não só uma grande flexibilidade como os dispositivos eletrônicos em folhas de ^plástico, 2, 3, mas também apresentam excelente desempenho sob condições de estiramento ou torção graves ^4. Para realizar a eletrônica elásticos, materiais com excelente desempenho elétrico sob grande deformação é necessário. Os recentes avanços na ciência dos materiais têm mostrado a possibilidade de sintetizar esses materiais funcionais e os usaram para projetar dispositivos optoeletrônicos esticáveis ^​​5-9 com grande tolerância a deformações formas complexas. Entre todos os materiais funcionais eletrônicos, condutores elásticos são necessárias para fornecer energia eléctrica a esses dispositivos optoeletrônicos e, portanto, são de importância crítica para o desempenho do dispositivo.Como materiais condutores regulares, como o metal ou o óxido de índio-estanho, a falta de robustez mecânica sob grandes deformações, interliga feitos destes materiais são incapazes de apresentar uma boa condutividade eléctrica ao abrigo do processo de estiramento. Assim, substratos elásticos cobertos com uma camada fina de materiais condutores flexíveis, tais como nanotubos de carbono, ¹ grafeno, ¹⁰ ou AgNWs, ^11-14 são concebidos para condutores com uma excelente capacidade de estiramento. Devido à elevada condutividade granel, AgNW películas finas têm demonstrado ser o material mais promissor para condutores elásticos compósitos. ¹³ As redes de percolação de AgNW filmes finos pode efectivamente acomodar grandes deformações elásticas no processo de estiramento com grande condutância eléctrica, e são considerados um candidato promissor eléctrodo esticável. Para implementar AgNW filmes finos como condutores elásticos, é necessário ter contatos elétricos eficazes entre AgNWs. Depois de um líquido deposiçãod secagem em superfícies de substrato, AgNWs empilhar regularmente em conjunto para formar uma malha de percolação com pontos de contacto moles, que produzem em grandes resistências eléctricas. Assim, é necessário para recozer os contactos entre os nanofios de alta temperatura ou de alta pressão métodos de recozimento ^{de 15-20} para reduzir as resistências de contacto.

Em contraste com estes processos de recozimento na literatura, aqui, iremos demonstrar um método químico simples para hibridar AgNW conexões de rede em condições laboratoriais normais. ²¹ O processo de fabrico está ilustrado na Figura 4A. A tinta reactiva é utilizada para sinterizar o spray AgNW películas finas revestidas sobre uma placa de vidro. Após a reacção, os contactos entre os nanofios são cobertas de prata e, portanto, a rede AgNW é soldada quimicamente juntos. Um método fundido e de casca é então utilizado para transferir a rede AgNW soldada a um substrato de PU extensível para formar um condutor compósito, que pode apresentar nenhuma alteração evidente in condutividade elétrica, mesmo em grande esforço de tensão de 120%.

Protocolo

1. Preparação do Precursor de tinta de prata

1. Adicionar 1,85 g de dietanolamina (DEA) em 3,15 ml de água desionizada.
2. Dissolve-se 0,15 g de nitrato de prata em 5 ml de água desionizada.
3. Misturar a solução de nitrato de prata aquoso com DEA em uma proporção de 1: 1 de volume de tinta tem precursor 10 ml de prata direita antes de usar.

2. Fabricação de Stretchable condutoras Filmes Finos

1. Preparação da tinta AgNW
   1. Dilui-se 2 ml de 0,5% em peso AgNWs em isopropanol com 18 ml de água desionizada.
   2. Colocá-lo em banho de ultra-sons durante 30 segundos a 25 ° C.
2. A fabricação de películas finas AgNW por revestimento por pulverização de auto-
   1. Corte padrão lâminas de microscópio em pedaços de tamanho igual a 1 × 2,5 centímetros ^2. Prepare 16 peças de vidro deste tamanho e limpá-los com tecido de limpeza de lentes molhada-etanol.
   2. Transferir 16 ml AgNW tinta (a partir da secção 1) para dentro do copo de tinta da airbrush com uma pipeta. Monte o airbrush em um robô controlado por computador para revestimento por pulverização.
   3. Coloque 8 de peças de vidro em um arranjo de 4 × 2 no palco e corrigi-los com fitas resistentes ao calor. A área total de todos os substratos de vidro sobre o palco é 4 × 5 cm ^2.
   4. Defina a pressão de trabalho e aquecimento temperatura fase a 3 bar e 100 ° C, separadamente.
   5. Abra o software de controle do robô. Clique para selecionar sequência de comandos escova movimento na coluna "Comando". Digite os parâmetros de entrada necessários para completar o programa de auto-pulverização como mostrado na Figura 1. Execute o programa.
      Nota: O comando "Speed ​​Line" faz com que a viagem airbrush a 200 mm / sec. Pelo comando "Área da escova", o spray se move para trás e para a frente na direcção do lado curto da matriz de substrato de vidro, enquanto os estágio se move ao longo da direcção do lado longo e do espaço entre dois cursos é de 5 mm. A "Linha de Partida" e "Line fim "comandos determinar as posições de partida ao ponto final da operação de auto-pulverização. As posições deles depende da posição da matriz de substrato de vidro no palco. O comando" Espere Point "define um tempo de espera de 20 segundos em no final de cada ciclo de auto-pulverização. "loop Endereço" comando permite que vários ciclos de pulverização e o número de ciclos de auto-pulverização é de 15 vezes. instrução mais pormenorizada dos comandos podem ser encontrados no protocolo do fabricante.
   6. Alterar o número de ciclos de auto-pulverização em 30 vezes. Repita os passos 2.2.3 - 2.2.5 AgNW para fabricar filmes finos de 30 ciclos de pulverização.
   7. Após o revestimento por pulverização, cozer nanofios filmes finos de prata sobre uma placa quente a 120 ° C durante 10 min.
3. Processo de soldagem Chemical
   1. Fundido a 400 ul de tinta de prata sobre cada precursor de prata nanofio película fina revestida por pulverização no substrato de vidro.
   2. Asse os filmes em uma placa quente a 100 &# 176; C por 40 min.
   3. Lavar os revestimentos reactivos cuidadosamente com água deionizada para remover resíduos químicos não reactivos e deixe secar os filmes revestidos.
4. Cast-descascando processo
   1. 200 ul de molde disponível comercialmente à base de água pu emulsão sobre cada película fina de nano-compósito de prata sobre o substrato de vidro.
   2. Secar as películas durante 10 h para assegurar a solidificação completa.
   3. Retire as amostras de substratos de vidro como filmes compostos de pé livre.

3. Caracterização

1. Teste de alongamento
   1. Ligue a fase linear motorizada e esperar 10 minutos para a máquina para aquecer.
   2. Abra o software de controle de fase. Defina o número de passos que se deslocam os do motor como 8.000. Clique em "X +" no software de controle de fase para mover o palco móvel até tocar no palco fixo e clique em "SET 0" para definir a posição de tele palco móvel como zero no software de controle de fase.
      Nota: A fase móvel move 0,00125 mm em um passo do motor. Por exemplo, a fase móvel se desloca 1 cm, se o motor move 8.000 passos. O sinal de mais de "X +" significa que os móveis se move palco na direção de se aproximar de palco fixo, enquanto o sinal negativo do "X-", mudança longe do palco fixo.
   3. Clique em "X" para mover o palco móvel para deixar um centímetro de espaço entre o palco móvel e fixa. Fixe ambas as extremidades da amostra com os suportes para o fio fases. Desse modo, a área que se estende da amostra é de 1 x 1 cm ^2. A configuração da máquina de estiramento é mostrada na Figura 2.
   4. Use as garras jacaré, que são as outras extremidades dos cabos de fiação para os titulares de palco (Figura 2), para se conectar ao multímetro digital para medições de resistência.
   5. Defina o número de etapas em movimento do motor como 800. Clique em "X" para move a fase móvel 1 mm (10% de deformação) de distância a partir do andar fixo para alongar a amostra e registar a resistência. Repita este passo até que a resistência aumenta de forma significativa (~ 150% de tensão).
2. Teste de estabilidade
   1. Prepare o teste como nos passos 3.1.2 - 3.1.4.
   2. Abra o software multímetro digital. Ligue o multímetro digital para o computador. Prima o botão "REL Δ" no multímetro digital até um ícone do computador aparece no canto superior esquerdo do monitor multímetro digital. Clique em "conexão USB" no software multímetro digital eo software começa a gravar resistências medidos.
   3. Digite os comandos para os campos de entrada no painel programa do software de controle de fase como mostrado na Figura 3 O comando. ": L-4000" significa mover o palco móvel 4.000 passos de distância do palco fixo, enquanto o comando ": U4000" meios para mover o palco móvel 4.000 passos para tráspara a fase fixa (4000 para 50% de tensão, de 8.000 para 100% de tensão). O número de ciclos de alongamento é 15 vezes. O padrão de velocidade da fase móvel é de 1 mm / seg.
   4. Clique em "Executar 123" no painel programa do software de controle de fase para executar o programa automático. Os movimentos palco móvel em um movimento alternativo para esticar a amostra com ciclos de alongamento de forma de onda triangular.
   5. Clique no ícone salvar no software multímetro e exportar os dados de perfis de resposta a resistência como um arquivo .xls.
3. Teste de iluminação LED
   1. Prepare o teste como nos passos 3.1.2 - 3.1.3. Ligue os titulares ligadas em série com um LED e uma fonte de alimentação.
   2. Ligue a fonte de alimentação. Aumentar a tensão de 9 V para acender o LED.
   3. Clique "X" para mover o estágio de 1 mm (10% de deformação) móvel afastada da fase fixa para alongar a amostra e tirar uma fotografia para gravar a luminosidade do LED. Repita este passo até que oluz de LED torna-se fraca. Tenha cuidado para que a auto-exposição da câmera deve ser desligado enquanto tira fotografias.

Resultados

A morfologia da película fina após AgNW processo de soldadura química é mostrada na Figura 4B. AGNPS recuperados preferencialmente crescer na superfície de AgNWs e enrole sobre os cruzamentos de fio / fio. A Figura 5 mostra a variação na resistência de folha com as estirpes aplicadas de alongamento para a unsoldered e as películas finas soldadas contendo uma quantidade diferente de AgNWs. Após o processo de soldadura química, ...

Discussão

O processo de soldagem química pode ajudar a reforçar o contato entre nanofios de prata. Como se mostra na Figura 4b, os cruzamentos de fio / fio são cobertas com prata após a aplicação da tinta de prata sobre a pulverização reactiva revestida AgNW película fina. A recuperação de prata depende fortemente do formaldeído gerado a partir da degradação de DEA, e, assim, o processo de soldadura ou de redução de prata pode ser acelerada com o aumento da temperatura. ²²

Materiais

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