Article de méthode

Un procédé de fabrication pour les conducteurs hautement extensible avec de l'argent nanofils

DOI :

10.3791/53623

⸱

21 janvier 2016

 ,  , 
1Department of Chemical Engineering, National Taiwan University

Dans cet article

Résumé

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Une méthode de synthèse simple est utilisée pour souder chimiquement une couche mince de nanofils d’argent afin de fabriquer des conducteurs métalliques hautement extensibles et conducteurs.

Résumé

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Électronique élastique sont identifiés comme une technologie clé pour les applications électroniques de la prochaine génération. Un des défis dans la fabrication de dispositifs électroniques étirable est la préparation de conducteurs extensibles avec une grande stabilité mécanique. Dans cette étude, nous avons développé un procédé de fabrication simple à souder chimiquement les points de contact entre les réseaux de nanofils d'argent (AgNW). AgNW nanomesh a été déposé d'abord sur une lame de verre par l'intermédiaire d'un procédé de revêtement par pulvérisation. Une encre réactive composée de nanoparticules d'argent (AGNPS) précurseurs a été appliquée sur la pulvérisation revêtu films minces AgNW. Après chauffage pendant 40 min, AGNPS ont été préférentiellement générés au cours des jonctions de nanofils de souder les nanomesh AgNW, et renforcé le réseau conducteur. Le film mince AgNW chimiquement modifié a ensuite été transféré à du polyuréthane (PU) substrats par méthode de coulée. Les films minces AgNW soudés sur PU ne présentaient pas de changement évident de la conductivité électrique sous étirement ou rollinProcédé d'allongement avec des souches g jusqu'à 120%.

Introduction

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Appareils déformables avec une grande extensibilité ont été identifiés comme des pièces essentielles à la réalisation de l'électronique portable et portables de la prochaine génération. 1 Ces appareils extensibles montrent non seulement une grande flexibilité que ces appareils sur des feuilles de plastique, 2, 3, mais aussi présenter une excellente la performance dans des conditions d'étirement ou une torsion grave 4. Pour réaliser les électronique élastique, matériaux avec grande performance électrique sous une déformation importante est nécessaire. Les récents progrès dans les sciences des matériaux ont montré la possibilité de synthétiser ces matériaux fonctionnels et les ont utilisées pour concevoir des dispositifs optoélectroniques extensibles 5-9 avec une grande tolérance aux déformations de forme complexe. Parmi tous les matériaux fonctionnels électroniques, conducteurs extensibles sont nécessaires pour alimenter en énergie électrique les dispositifs optoélectroniques et sont d'une importance critique pour les performances de l'appareil ainsi.Parce que les matériaux conducteurs réguliers, comme le métal ou oxyde d'indium-étain, manque de robustesse mécanique sous grande déformation, les interconnexions en ces matières sont incapables de présenter une bonne conductivité électrique sous processus d'étirement. Ainsi, des substrats élastiques recouvertes d'une fine couche de matériaux conducteurs souples, tels que des nanotubes de carbone, une graphène, 10 ou AgNWs, 11 à 14 sont conçus pour être conducteurs avec une excellente aptitude à l'étirage. En raison de la conductivité apparente élevée, films minces AgNW ont été montré pour être le matériau le plus prometteur pour les conducteurs extensibles composites. 13 Les réseaux de percolation de films minces AgNW peut effectivement accueillir de grandes déformations élastiques dans le processus d'étirement avec une grande conductance électrique, et sont considérés comme une électrode extensible candidat prometteur. Pour mettre en œuvre des films minces AgNW que conducteurs extensibles, il est nécessaire d'avoir des contacts électriques efficaces entre AgNWs. Après le dépôt d'un liquided séchage sur des surfaces de substrat, AgNWs pile régulièrement ensemble pour former un maillage de percolation avec des points de contact en vrac, qui produisent en grandes résistances électriques. Ainsi, on a besoin de recuire les contacts entre les nanofils par haute température ou haute pression méthodes de recuit 15-20 pour réduire les résistances de contact.

Contrairement à ces procédés de recuit dans la littérature, ici, nous allons montrer un procédé chimique simple pour recuire AgNW connexions de réseau dans des conditions de laboratoire normales. 21 Le procédé de fabrication est représenté sur la figure 4A. Une encre réactif est utilisé pour fritter la pulvérisation revêtus de couches minces sur AgNW une plaque de verre. Après réaction, les contacts entre les nanofils sont recouverts d'argent, et donc le réseau AgNW est soudé chimiquement ensemble. Une méthode de coulée et de Peel est ensuite utilisé pour transférer le réseau AgNW soudée à un substrat PU étirable pour former un conducteur composite, qui peut présenter aucun changement évident in conductivité électrique, même à grande contrainte de traction de 120%.

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Protocole

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1. Préparation de Silver Précurseur encre

  1. Ajouter 1,85 g de diéthanolamine (DEA) en 3,15 ml d'eau déminéralisée.
  2. Dissoudre 0,15 g de nitrate d'argent dans 5 ml d'eau désionisée.
  3. Mélanger la solution aqueuse de nitrate d'argent avec la DEA à un ratio de 1: 1 en volume d'avoir précurseur d'encre 10 ml d'argent juste avant l'utilisation.

2. Fabrication de étirables conducteur mince Films

  1. Préparation de l'encre AgNW
    1. Diluer 2 ml de 0,5% en poids dans l'isopropanol AgNWs avec 18 ml d'eau déminéralisée.
    2. Placez-le dans un bain à ultrasons pendant 30 secondes à 25 ° C.
  2. Fabrication de films minces par AgNW revêtement auto-pulvérisation
    1. Couper la norme des lames de microscope en morceaux de taille égale à 1 × 2,5 cm 2. Préparer 16 morceaux de verre de cette taille et les nettoyer avec un tissu de nettoyage de lentille éthanol-mouillé.
    2. Transfert 16 ml AgNW encre (de la section 1) dans la peinture tasse de airbrUSH avec une pipette. Monter l'aérographe sur un robot commandé par ordinateur pour le revêtement par pulvérisation.
    3. Placez 8 de morceaux de verre dans un arrangement 4 × 2 sur la scène et les fixer avec des bandes résistantes à la chaleur. La superficie totale de tous les substrats de verre sur la scène est de 4 × 5 cm 2.
    4. Régler la pression de travail et la température étape de chauffage à 3 bar et 100 ° C, séparément.
    5. Ouvrez le logiciel de commande du robot. Cliquez pour sélectionner la séquence de commande de mouvement de la brosse dans la colonne "Commande". Tapez les paramètres d'entrée nécessaires pour terminer le programme d'auto-pulvérisation, comme le montre la figure 1. Exécutez le programme.
      Remarque: La commande "Line Speed" rend le Voyage de l'aérographe à 200 mm / sec. Par la commande "Brush Espace", l'aérographe va et vient dans la direction du côté court du tableau de substrat de verre tandis que les mouvements de la scène le long de la direction du côté long et l'espace entre deux coups est de 5 mm. La «ligne de départ» et «Line End "commandes déterminent les positions des points de l'opération d'auto-pulvérisation départ et de fin. Les positions d'entre eux dépendent de la position de l'ensemble de substrat de verre sur la scène. La" commande Attendre Point "fixe un temps d'attente de 20 secondes dans la fin de chaque cycle de l'auto-pulvérisation. "Loop Adresse" commande permet à plusieurs cycles de pulvérisation et le nombre de cycles d'auto-pulvérisation est 15 fois. instruction plus détaillée des commandes peut être trouvée dans le protocole du fabricant.
    6. Changez le nombre de cycles d'auto-pulvérisation dans 30 fois. Répétez les étapes 2.2.3 - 2.2.5 pour fabriquer AgNW films minces de 30 cycles de pulvérisation.
    7. Après revêtement par pulvérisation, cuire nanofils films minces d'argent sur une plaque chaude à 120 ° C pendant 10 min.
  3. Les processus de soudure chimique
    1. Fonte 400 ul de précurseur encre argent sur chaque nanofil d'argent par pulvérisation un film mince revêtu sur le substrat de verre.
    2. Cuire les films sur une plaque chaude à 100 &# 176; C pendant 40 min.
    3. Rincer les revêtements réactifs soigneusement avec de l'eau déminéralisée pour éliminer les résidus de produits chimiques réactifs et air-sécher les films enduits.
  4. Cast-le pelage processus
    1. Fonte 200 ul PU disponible dans le commerce d'émulsion à base d'eau sur chaque film mince composite de nano-argent sur le substrat de verre.
    2. Air-sécher les films pendant 10 heures pour assurer la pleine solidification.
    3. Décoller les échantillons de substrats de verre comme composites films autoportants.

3. Caractérisation

  1. Test Stretching
    1. Tournez sur la scène linéaire motorisé et attendre 10 minutes pour que la machine se réchauffer.
    2. Ouvrez le logiciel de commande de l'étage. Définir le nombre des étapes mobiles du moteur en 8000. Cliquez sur "X +" dans le logiciel de commande de l'étage pour déplacer la scène mobile jusqu'à ce qu'il touche la scène fixe et cliquez sur «SET 0" pour régler la position de til scène mobile à zéro dans le logiciel de commande de l'étage.
      Remarque: La scène mobile se déplace 0,00125 mm en une seule étape du moteur. Par exemple, la phase mobile se déplace de 1 cm si le moteur se déplace de 8000 mesures. Le signe plus de «X +» signifie que les mouvements de scène mobile dans la direction de rapprochement scène fixe tandis que le signe négatif de «X» signifie déplacer loin de la scène fixe.
    3. Cliquez sur "X" pour déplacer la scène mobile de laisser 1 cm d'espace entre la scène mobile et fixe. Fixez les deux extrémités de l'échantillon avec les titulaires filaires sur le stade. De ce fait, la zone d'étirage de l'échantillon est de 1 x 1 cm 2. La configuration de la machine d'étirage est représentée sur la figure 2.
    4. Utilisez les pinces crocodiles, qui sont les autres extrémités des câbles de câblage pour les détenteurs de la scène (Figure 2), de se connecter au multimètre numérique pour les mesures de résistance.
    5. Définir le nombre des étapes de mobile du moteur de 800. Cliquez sur "X" pour move le mobile une étape mm (souche de 10%) de l'étage fixe pour étirer l'échantillon et enregistrer la résistance. Répétez cette étape jusqu'à ce que la résistance augmente de façon significative (~ souche 150%).
  2. Essai de stabilité
    1. Préparer le test comme dans les étapes 3.1.2 - 3.1.4.
    2. Ouvrez le logiciel de multimètre numérique. Branchez le multimètre numérique à l'ordinateur. Appuyez longuement sur le bouton "REL Δ" sur le multimètre numérique jusqu'à ce qu'une icône de l'ordinateur apparaît dans le coin supérieur gauche de l'écran multimètre numérique. Cliquez sur "Connexion USB" dans le logiciel de multimètre numérique et le logiciel commence à enregistrer résistances mesurées.
    3. Entrez les commandes dans les champs de saisie dans le panneau du logiciel de contrôle de la phase de programme comme le montre la figure 3 La commande. ": U-4000" signifie pour déplacer la scène mobile de 4000 à quelques pas de la scène fixe alors que la commande ": U4000" moyens pour déplacer la scène mobile 4000 pas en arrièreà l'étage fixe (4000 pour la souche de 50%, 8.000 pour 100% de déformation). Le nombre de cycles d'étirement est de 15 fois. La vitesse par défaut de la scène mobile est de 1 mm / sec.
    4. Cliquez sur "Exécuter 123" dans le panneau du logiciel de contrôle de la phase de programme à exécuter le programme automatique. Les mouvements de scène mobile dans un mouvement alternatif à étirer l'échantillon avec des cycles d'allongement de forme d'onde triangulaire.
    5. Cliquez sur l'icône d'enregistrement dans le logiciel de multimètre et exporter les données de profils de réponse de la résistance comme un fichier .xls.
  3. Test de l'éclairage LED
    1. Préparer le test comme dans les étapes 3.1.2 - 3.1.3. Connecter les détenteurs câblés en série avec une LED et une alimentation.
    2. Allumez l'alimentation. Augmenter la tension à 9 V pour allumer la LED.
    3. Cliquez sur "X" pour déplacer l'étape 1 mm (10% de déformation) mobile éloigné de la scène fixe pour étirer l'échantillon et prendre une photo pour enregistrer la luminosité de la LED. Répétez cette étape jusqu'à ce que lalumière de LED devient faible. Veillez à ce que l'exposition automatique de l'appareil doit être éteint en prenant des photos.

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Résultats

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La morphologie de la couche mince après AgNW processus de soudage chimique est représentée sur la figure 4B. AGNPS récupérés poussent préférentiellement sur ​​la surface de AgNWs et envelopper les jonctions fils / fils. Figure 5 montre la variation de la résistance de la feuille avec des souches de l'allongement appliqué pour le dessoudé et les films minces soudées contenant quantité différente de AgNWs. Après le processus de soudage chimique, AgNW condu...

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Discussion

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Le processus de soudage chimique peut aider à renforcer le contact entre les nanofils d'argent. Comme le montre la figure 4b, les jonctions fil / de fils sont recouverts d'argent après l'application de l'encre d'argent par pulvérisation réactive sur le film mince revêtu AgNW. La récupération de l'argent repose fortement sur ​​le formaldéhyde généré par la dégradation de DEA, et ainsi le processus de brasage ou de réduction de l'argent peut être accélérée lorsque la températur...

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Déclarations de divulgation

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Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

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Les auteurs sont reconnaissants du soutien financier du Ministère de la Science et de la Technologie.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Nanofild’argent Sigma-Aldrich778095-25MLAgNW, 120 nm de diamètre et 20-50 mm de longueur, 0,5 % en poids d’IPA
Cristal de nitrate d’argentMacron Fine ChemicalsMK216903
DiéthanolamineSigma-AldrichD8885-500G
Émulsion de polyuréthaneFirst Chemical2013032603635 % en poids de polyester-polyuréthane anionique à base d’eau émulsion
AérographeTaïwan Airbrush & Équipementcapteur AFC  ;
Robot de bureauDispenser TechDT-200  ;
Contrôleur de distributeur numériqueDispenser Tech9000E  ;
Programme de pulvérisation automatiqueDistributeur TechRobot intelligent modifier la version 3.0.0.5
Compresseur d’air  ;PUMA IndustrialNCS-10°C² ;
Platine linéaire motoriséeTANLIAN E-OLogiciel
TANLIAN E-OMultimètre numérique personnalisé
HILA INTERNATIONALDM-2690TU
Logiciel de multimètre numériqueHILA INTERNATIONALNA
AlimentationCHERN TAIHCT-605
LEDPChomeM08330766http://www.pcstore.com.tw/sun-flower/M08330766.htm
de contrôle de platine personnalisé

Références

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Mots-clés

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