Un método de fabricación de conductores altamente extensibles con nanocables de plata

Resumen

Se utiliza un método de síntesis simple para soldar químicamente una película delgada de nanocables de plata para fabricar conductores metálicos altamente elásticos y conductores.

Resumen

Electrónica estirable se identifican como una tecnología clave para las aplicaciones electrónicas en la próxima generación. Uno de los retos en la fabricación de dispositivos electrónicos extensibles es la preparación de los conductores extensibles con gran estabilidad mecánica. En este estudio, hemos desarrollado un método de fabricación sencilla para soldar químicamente los puntos de contacto entre los nanocables de plata (AgNW) redes. AgNW nanomalla fue depositado primero sobre un portaobjetos de vidrio mediante el método de revestimiento por pulverización. Una tinta reactiva compuesta de nanopartículas de plata (AGNPS) precursores se aplicó el aerosol recubierto AgNW películas delgadas. Después de calentar durante 40 minutos, AGNPS se generaron preferentemente sobre las uniones de nanocables para soldar el nanomalla AgNW, y reforzaron la red conductora. A continuación, la película delgada AgNW químicamente modificada se transfirió a poliuretano (PU) sustratos por medio de fusión. Los AgNW películas delgadas soldadas en PU exhibieron ningún cambio evidente en la conductividad eléctrica bajo estiramiento o Rolling proceso de alargamiento con las cepas de hasta 120%.

Introducción

Dispositivos electrónicos deformables con gran capacidad de estiramiento han sido identificados como partes críticas para la realización de la electrónica portátiles y portátiles en la siguiente generación. ¹ Esos dispositivos electrónicos estirables no sólo muestran una gran flexibilidad como aquellos dispositivos electrónicos en láminas de ^plástico, 2, 3, sino también exhibir excelente rendimiento bajo severas condiciones de estiramiento o torsión. ⁴ Para darse cuenta de la electrónica estirable, se necesitan materiales con gran actuación eléctrica en grandes deformaciones. Avances recientes en la ciencia de los materiales han demostrado la posibilidad de sintetizar tales materiales funcionales y los han utilizado para diseñar dispositivos optoelectrónicos estirables ^5-9 con gran tolerancia a las deformaciones forma compleja. Entre todos los materiales funcionales electrónicos, conductores estirables son necesarias para suministrar energía eléctrica a los dispositivos optoelectrónicos y por lo tanto son de importancia crítica para el rendimiento del dispositivo.Debido a que los materiales conductores regulares, como metal o de óxido de indio y estaño, la falta de robustez mecánica bajo gran deformación, interconexiones de estas materias son incapaces de presentar una buena conductividad eléctrica en proceso de estiramiento. Por lo tanto, los sustratos elásticos cubiertos con una fina capa de materiales conductores flexibles, tales como nanotubos de carbono, ¹ grafeno, ¹⁰ o ^AgNWs, 11-14 de están diseñados para conductores con una excelente capacidad de estiramiento. Debido a la alta conductividad a granel, AgNW películas delgadas se han demostrado para ser el material más prometedor para conductores estirables compuestas. ¹³ Las redes de percolación de AgNW películas delgadas puede acomodar eficazmente grandes deformaciones elásticas en proceso de estiramiento con gran conductancia eléctrica, y se consideran como un candidato electrodo estirable prometedor. Para implementar AgNW películas delgadas como conductores extensibles, es necesario contar con contactos eléctricos eficaces entre AgNWs. Después de una deposición líquidad secado sobre superficies de sustrato, AgNWs apilan regularmente entre sí para formar una malla de percolación con puntos de contacto sueltos, que producen en grandes resistencias eléctricas. Por lo tanto, hay que recocer los contactos entre los nanocables de alta temperatura o de alta presión métodos de recocido ^{15 a 20} para reducir las resistencias de contacto.

En contraste con estos procesos de recocido en la literatura, aquí, vamos a demostrar un método químico simple para recocer AgNW conexiones de red bajo condiciones regulares de laboratorio. ²¹ El proceso de fabricación se muestra en la Figura 4A. Una tinta de reactivo se utiliza para sinterizar el aerosol recubiertos AgNW películas delgadas sobre una placa de vidrio. Después de la reacción, los contactos entre nanocables están cubiertas con plata y por lo tanto la red AgNW se sueldan juntos químicamente. Un método de fundido y la cáscara se utiliza entonces para transferir la red AgNW soldado a un sustrato de PU estirable para formar un conductor de material compuesto, que puede exhibir ningún cambio obvio iconductividad eléctrica n incluso a gran deformación por tracción de 120%.

Protocolo

1. Preparación de Plata Precursor Tinta

1. Añadir 1,85 g de dietanolamina (DEA) en 3,15 ml de agua desionizada.
2. Disolver 0,15 g de nitrato de plata en 5 ml de agua desionizada.
3. Mezclar la solución de nitrato de plata acuoso con DEA en una relación 1: 1 volumen a tener tinta precursor 10 ml de plata justo antes de su uso.

2. La fabricación de estirables conductores Thin Films

1. Preparación de la tinta AgNW
   1. Diluir 2 ml de 0,5% en peso AgNWs en isopropanol con 18 ml de agua desionizada.
   2. Colóquelo en baño de ultrasonidos durante 30 segundos a 25 ° C.
2. Fabricación de AgNW películas delgadas mediante revestimiento por pulverización auto-
   1. Corte estándar portaobjetos en trozos de tamaño igual a 1 × 2,5 cm ^2. Preparar 16 piezas de cristal de este tamaño y limpiarlos con un pañuelo de limpieza de lentes de etanol contacto con el medio.
   2. Transferencia de 16 ml AgNW de tinta (de la sección 1) en el vaso de pintura de la airbrUsh con una pipeta. Montar el aerógrafo en un robot controlado por ordenador para el revestimiento por pulverización.
   3. Coloque 8 de piezas de vidrio en un arreglo de 4 × 2 en el escenario y fijarlas con cintas resistentes al calor. La superficie total de todos los sustratos de vidrio en el escenario es de 4 × 5 cm ^2.
   4. Ajuste la presión de trabajo y calefacción temperatura de la etapa a 3 bar y 100 ° C, por separado.
   5. Abra el software de control del robot. Haga clic para activar la secuencia de comandos de movimiento del cepillo en la columna "Comando". Tipo de parámetros de entrada necesarios para completar el programa de auto-pulverización como se muestra en la Figura 1. Ejecute el programa.
      Nota: El comando "Velocidad de línea" hace que el viaje aerógrafo a 200 mm / seg. Por el comando "Brush Area", el aerógrafo se mueve hacia atrás y adelante en la dirección del lado corto de la matriz de sustrato de vidrio mientras que la etapa se desplaza a lo largo de la dirección del lado largo y el espacio entre dos golpes es 5 mm. La "línea de salida" y "Line End "comandos determinan las posiciones de partida y el punto final de la operación de auto-pulverización. Las posiciones de ellas dependen de la posición de la matriz de sustrato de vidrio en el escenario. El" comando Espere Point "establece un tiempo de espera de 20 segundos en Al final de cada ciclo de auto-pulverización. "Loop Dirección" comando permite múltiples ciclos de rociado y el número de ciclos de auto-pulverización es de 15 veces. instrucción más detallada de los comandos se pueden encontrar en el protocolo del fabricante.
   6. Cambiar el número de ciclos de auto-pulverización en 30 veces. Repita los pasos 2.2.3 - 2.2.5 para fabricar AgNW películas delgadas de 30 ciclos de fumigación.
   7. Después de recubrimiento por pulverización, hornear nanocables películas delgadas de plata sobre una placa caliente a 120 ° C durante 10 minutos.
3. Proceso de soldadura química
   1. Reparto de 400 l de tinta precursor de plata sobre cada uno de nanocables de plata de película delgada se recubrieron por pulverizado sobre el sustrato de vidrio.
   2. Hornee las películas sobre una placa caliente a 100 y# 176; C durante 40 minutos.
   3. Enjuague los recubrimientos reactivos cuidadosamente con agua desionizada para eliminar los residuos químicos no reactivos y aire seque las películas recubiertas.
4. Cast-peeling proceso
   1. Reparto de 200 l disponible comercialmente PU en emulsión a base de agua sobre cada película delgada-nano compuesto de plata sobre el sustrato de vidrio.
   2. Seque las películas de 10 horas para garantizar la plena solidificación.
   3. Despegar las muestras de los sustratos de vidrio como películas compuestas libre de pie.

3. Caracterización

1. Prueba de estiramiento
   1. Encienda la etapa lineal motorizada y esperar 10 minutos para que la máquina se caliente.
   2. Abra el software de control de fase. Ajuste el número de los pasos en movimiento del motor en 8000. Haga clic en "X +" en el software de control de fase para mover el escenario móvil hasta que toque el escenario fijo y haga clic en "SET 0" para fijar la posición de tque el escenario móvil como cero en el software de control de fase.
      Nota: La fase móvil se mueve 0,00125 mm en un solo paso del motor. Por ejemplo, la etapa móvil se mueve 1 cm si el motor se mueve 8.000 pasos. El signo más de la "X +" significa que el escenario móvil se mueve en la dirección de acercarse escenario fijo, mientras que el signo negativo de la "X" significa alejarse de la plataforma fija.
   3. Haga clic en "X" para mover el escenario móvil que dejar 1 cm de espacio entre la fase móvil y fija. Fije ambos extremos de la muestra con los titulares de cableadas sobre la etapas. De este modo, la zona que se extiende de la muestra es 1 × 1 cm ^2. La configuración de la máquina de estiramiento se muestra en la Figura 2.
   4. Utilice las pinzas de cocodrilo, que son los otros extremos de los cables de conexión a los titulares de la etapa (Figura 2), para conectar con el multímetro digital para mediciones de resistencia.
   5. Ajuste el número de los pasos en movimiento del motor como 800. Haga clic en "X" a move la fase móvil 1 mm (10% de deformación) de distancia de la plataforma fija para estirar la muestra y registrar la resistencia. Repita este paso hasta que la resistencia aumenta significativamente (~ 150% de tensión).
2. Prueba de estabilidad
   1. Preparar la prueba como en los pasos 3.1.2 - 3.1.4.
   2. Abra el software multímetro digital. Conecte el multímetro digital al ordenador. Mantenga pulsado el botón "REL Δ" en el multímetro digital hasta que un icono del equipo aparece en la esquina superior izquierda de la pantalla del multímetro digital. Haga clic en "Conexión USB" en el software multímetro digital y el software comienza a grabar resistencias medidas.
   3. Introduzca los comandos en los campos de entrada en el panel del programa del software de control de fase, como se muestra en la Figura 3 El comando. ": U-4000" significa para mover el escenario móvil 4.000 pasos de la fase fija, mientras que el comando ": U4000" medios para mover el escenario móvil 4.000 pasos atrása la fase fija (4.000 para el 50% de deformación, 8000 para el 100% de tensión). El número de ciclos de estiramiento es de 15 veces. La velocidad predeterminada de la etapa móvil es 1 mm / seg.
   4. Haga clic en "Run 123" en el panel del programa del software de control de fase para ejecutar el programa automático. La etapa móvil se mueve en un movimiento alternativo para estirar la muestra con ciclos de alargamiento de la forma de onda triangular.
   5. Haga clic en el icono de guardar en el software multímetro y exportar los datos de los perfiles de respuesta de resistencia como un archivo .xls.
3. Prueba de iluminación LED
   1. Preparar la prueba como en los pasos 3.1.2 - 3.1.3. Conecte los titulares conectados en serie con un LED y una fuente de alimentación.
   2. Encienda la fuente de alimentación. Aumenta la tensión de 9 V para encender el LED.
   3. Haga clic en "X" para mover la etapa 1 mm (10% de tensión) móvil lejos del escenario fijo para estirar la muestra y tomar una fotografía para registrar el brillo del LED. Repita este paso hasta que elluz de LED se oscurece. Tenga cuidado de que la auto-exposición de la cámara debe apagarse mientras toma las imágenes.

Resultados

La morfología de la película delgada AgNW después del proceso de soldadura química se muestra en la Figura 4B. AGNPS recuperados crecen preferentemente en la superficie de AgNWs y envuelven sobre las uniones de alambre / cable. La Figura 5 muestra la variación de la resistencia de la lámina con cepas alargamiento aplicado para el desoldado y las películas delgadas soldadas que contienen diferentes cantidades de AgNWs. Después de que el p...

Discusión

El proceso de soldadura química puede ayudar a reforzar el contacto entre los nanocables de plata. Como se muestra en la Figura 4b, las uniones de alambre / cable están cubiertas con plata después de aplicar la tinta de plata reactiva sobre el spray revestido AgNW película delgada. La recuperación de la plata depende en gran medida del formaldehído generado a partir de la degradación de DEA, y por lo tanto el proceso de soldadura o la reducción de plata puede ser acelerada al aumentar l...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
	Nanohilo de plata Sigma-Aldrich	778095-25ML	AgNW, 120 nm de diámetro y 20-50 mm de longitud, 0,5% en peso de IPA
Cristal de nitrato de plata	Macron Fine Chemicals	MK216903
Dietanolamina	Sigma-Aldrich	D8885-500G
Emulsión de poliuretano	First Chemical	20130326036	35 % en peso de poliéster-poliuretano aniónico a base de agua emulsión
Aerógrafo	Taiwán Aerógrafo & Equipo	AFC-sensor
Robot de sobremesa	Dispensador Tech	DT-200
Controlador de dispensador digital	Dispenser Tech	9000E
Programa de pulverización automática	Dispensador Tech	Smart robot edit versión 3.0.0.5
Compresor de aire	PUMA Industrial	NCS-10
Platina motorizada lineal	TANLIAN E-O	Personalizado
Software de control de etapa	TANLIAN E-O	Multímetro digital personalizado
	HILA INTERNATIONAL	DM-2690TU
Multímetro digital	software HILA INTERNATIONAL	NA
Fuente de alimentación	CHERN TAIH	CT-605
LED	PChome	M08330766	http://www.pcstore.com.tw/sun-flower/M08330766.htm