銅納米線導(dǎo)電薄膜光燒結(jié)法制備機(jī)理及器件應(yīng)用.pdf

1、導(dǎo)電薄膜是電子產(chǎn)品中必不可少的重要組件之一，廣泛應(yīng)用于顯示屏幕、觸摸屏、太陽(yáng)能電池、發(fā)光二極管(Light-emitting diode,LED)等器件，并有望能夠?qū)崿F(xiàn)在柔性顯示和可穿戴電子器件中的應(yīng)用。然而，目前生產(chǎn)中制備導(dǎo)電薄膜使用的氧化銦錫(Indium tin oxide,ITO)材料存在造價(jià)高、儲(chǔ)備少、脆性大等缺點(diǎn)。銅納米線薄膜被認(rèn)為是替代傳統(tǒng)ITO導(dǎo)電薄膜的最有希望的材料之一，并且因其低廉的價(jià)格、豐富的儲(chǔ)備和優(yōu)異的導(dǎo)電性能受

2、到越來(lái)越多的關(guān)注。為了促進(jìn)銅納米線導(dǎo)電薄膜的應(yīng)用，研發(fā)簡(jiǎn)單、快捷、無(wú)需保護(hù)氣氛、避免高溫和腐蝕環(huán)境的制備銅納米線導(dǎo)電薄膜的技術(shù)迫在眉睫。
　　本文使用了一種新穎的快速光燒結(jié)技術(shù)制備銅納米線透明導(dǎo)電薄膜，通過(guò)光燒結(jié)后銅納米線網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)和表面成分分析，對(duì)光燒結(jié)機(jī)理進(jìn)行了深入的探討。同時(shí)，使用光燒結(jié)技術(shù)在樹(shù)脂基薄膜上制備了可拉伸的銅納米線導(dǎo)電薄膜，系統(tǒng)的對(duì)薄膜的彎曲、拉伸性能進(jìn)行了考察。此外，實(shí)現(xiàn)了這種可拉伸的銅納米線導(dǎo)電薄膜在可穿

3、戴的傳感器和加熱器中的應(yīng)用。
　　使用綠色的水熱法以十八胺(Octadecylamine,ODA)做表面活性劑合成了高質(zhì)量的銅納米線，其直徑在40nm左右。提出了水熱法合成銅納米線的生長(zhǎng)機(jī)制，胺類表面活性劑的分子量是影響銅納米線形貌的重要因素，銅離子容易與長(zhǎng)碳鏈的胺類形成絡(luò)合物，這種絡(luò)合物促進(jìn)了銅納米線的形核和沿一維方向生長(zhǎng)。通過(guò)X射線光電子譜（X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)和高分辨透身

4、寸電鏡(High-resolution transmission electron microscope,HRTEM)對(duì)新合成的銅納米線的分析發(fā)現(xiàn)，銅納米線在表面發(fā)生氧化，而銅的氧化物會(huì)降低銅納米線的導(dǎo)電性。
　　采用快速光燒結(jié)技術(shù)在玻璃基底上成功制備了透過(guò)率為85％、方阻僅為34.1Ohm/sq的銅納米線透明導(dǎo)電薄膜。通過(guò)對(duì)光燒結(jié)之后銅納米線網(wǎng)絡(luò)微觀結(jié)構(gòu)和表面成分的分析，揭示了光燒結(jié)作用機(jī)制。光能轉(zhuǎn)化為熱能燒結(jié)銅納米線形成了互連

5、的網(wǎng)絡(luò)，相互間的接觸面積增大；由于銅納米線的表面等離子共振(Surface plasmon resonance,SPR)效應(yīng)，銅納米線在相互交叉的地方對(duì)光能的吸收更為強(qiáng)烈，促進(jìn)了銅納米線之間的互連；銅納米線表面覆蓋的ODA經(jīng)光分解成為還原性的有機(jī)物，并與銅的氧化物反應(yīng)，得到了更充分的銅-銅接觸。由于銅納米線之間互連網(wǎng)絡(luò)的形成以及光分解去氧化的機(jī)制，光燒結(jié)技術(shù)成為一種快速、簡(jiǎn)單、有效的制備性能優(yōu)秀的銅納米線導(dǎo)電薄膜的方法。
　　米用

6、快速光燒結(jié)法在聚對(duì)苯二甲酸乙二醋(Polyethylene terephthalate,PET)基底上制備了銅納米線透明導(dǎo)電薄膜。在普通柔性N-PET(Normal polyethylene terephthalate)薄膜上制備銅納米線透明導(dǎo)電薄膜過(guò)程中，光燒結(jié)過(guò)程容易對(duì)PET樹(shù)脂薄膜造成損傷，從而影響薄膜的透過(guò)率。通過(guò)使用表面處理的商用C-PET(Commercial polyethylene terephthalate)基底可以有

7、效避免熱量對(duì)薄膜的損傷，最終在柔性C-PET薄膜上制備了透過(guò)率為84%、方阻為53.5Ohm/sq的銅納米線透明導(dǎo)電薄膜。
　　使用一步光燒結(jié)技術(shù)在彈性聚氨基甲酸醋(Polyurethane,PU)基底表面制備銅納米線可拉伸導(dǎo)電薄膜。研究結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)光燒結(jié)，銅納米線埋入到PU薄膜的表面，這種埋入結(jié)構(gòu)有利于增強(qiáng)薄膜的機(jī)械魯棒性。測(cè)試結(jié)果表明，銅納米線/P U導(dǎo)電薄膜在10%應(yīng)力下拉伸/釋放1000個(gè)循環(huán)，相對(duì)電阻僅僅增長(zhǎng)了一倍。在

8、聚二甲基娃氧燒(Polydimethylsiloxane,PDMS)基底上制備銅納米線可拉伸導(dǎo)電薄膜的結(jié)果表明，由于光燒結(jié)之后銅納米線與PDMS基底之間結(jié)合力較弱，銅納米線/PDMS導(dǎo)電薄膜在拉伸條件下電性能迅速降低。在銅納米線/PDMS導(dǎo)電薄膜表面再次涂覆PDMS薄膜大大改善了兩者之間的結(jié)合力，在20%應(yīng)力下循環(huán)拉伸/釋放1000個(gè)循環(huán)，電阻只增長(zhǎng)為原來(lái)的1.8倍。
　　實(shí)現(xiàn)了銅納米線/PU可拉伸導(dǎo)電薄膜在可穿戴的應(yīng)力傳感器和加