מאמר שיטה

שיטת ייצור למוליכים מאוד מתיחה עם Nanowires הכסף

DOI:

10.3791/53623

⸱

21 בינואר 2016

 ,  , 
1Department of Chemical Engineering, National Taiwan University

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

שיטת סינתזה פשוטה משמשת להלחמה כימית של סרט דק של ננו-חוטי כסף לייצור מוליכי מתכת נמתחים ומוליכים במיוחד.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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%.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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%.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 המכילים כמות AgNWs שונה. לאחר תהליך ההלחמה הכימי, מנצחי סרט דק AgNW יכולים לשמור על מוליכות גבוהות בתנאי מתח גבוהים, ללא קשר לכמות ריססה של AgNWs. שני סרטים הדקים AgNW המולחם ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 להיות מואצת עם הגדלת טמפרטורה. 22 בגלל משטחי המתכת של AgNWs לספק אתרי חילופי אלקטרונים יעילים, חלקיקי כסף מופחתים מועדף לאורך משטחי AgNW , ולעטוף מעל צמתים חוט התיל כדי ליצור קשר יתאגד. תהליך ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים אסירי תודה על התמיכה הכספית ממשרד המדע והטכנולוגיה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
ננו-חוט כסףSigma-Aldrich778095-25MLAgNW, קוטר 120 ננומטר ואורך 20-50 מ"מ, 0.5% משקל ב-IPA קריסטל
כסף חנקתימקרון כימיקלים עדיניםMK216903
דיאתנולמיןסיגמא-אולדריץ'D8885-500G
תחליב פוליאוריטןכימי ראשון2013032603635% wt% פוליאסטר-פוליאוריטן אניוני על בסיס מים תחליב
Airbrushטייוואן Airbrush & ציוד-חיישן AFC 
רובוט שולחניTechDT-200 
בקר דיספנסר דיגיטלידיספנסר טק9000E 
תוכנית ריסוס אוטומטיDispenser TechSmart robot ערוך גרסה 3.0.0.5
מדחס אוויר PUMA תעשייתיNCS-10 
שלב ממונע ליניאריTANLIAN E-Oמותאמת אישית
TANLIAN E-Oמותאם אישית
HILA INTERNATIONALDM-2690TU
תוכנת מודד דיגיטליHILA INTERNATIONALNA
ספק כוחCHERN TAIHCT-605
LEDPChomeM08330766http://www.pcstore.com.tw/sun-flower/M08330766.htm
מתקן תוכנת בקרת במה מודד דיגיטלי

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Rogers, J. A., Someya, T., Huang, Y. Materials and mechanics for stretchable electronics. Science. 327 (5973), 1603-1607 (2010).
  2. Mazzeo, A. D., et al. Paper-based, capacitive touch pads. Adv. Mater. 24 (21), 2850-2856 (2012).
  3. Yang, C., et al. Silver nanowires: from scalable synthesis to recyclable foldable electronics. Adv. Mater. 23 (27), 3052-3056 (2011).
  4. Sekitani, T., Someya, T. Stretchable, Large-area Organic Electronics. Adv. Mater. 22 (20), 2228-2246 (2010).
  5. Lipomi, D. J., Tee, B. C., Vosgueritchian, M., Bao, Z. Stretchable organic solar cells. Adv. Mater. 23 (15), 1771-1775 (2011).
  6. Liang, J., Li, L., Niu, X., Yu, Z., Pei, Q. Elastomeric polymer light-emitting devices and displays. Nat. Photonics. 7 (10), 817-824 (2013).
  7. White, M. S., et al. Ultrathin, highly flexible and stretchable PLEDs. Nat. Photonics. 7 (10), 811-816 (2013).
  8. Chang, I., et al. Performance enhancement in bendable fuel cell using highly conductive Ag nanowires. Int. J. Hydrogen Energ. 39 (14), 7422-7427 (2014).
  9. Yan, C. Y., et al. An Intrinsically Stretchable Nanowire Photodetector with a Fully Embedded Structure. Adv. Mater. 26 (6), 943-950 (2014).
  10. Lee, M. S., et al. High-performance, transparent, and stretchable electrodes using graphene-metal nanowire hybrid structures. Nano Lett. 13 (6), 2814-2821 (2013).
  11. Xu, F., Zhu, Y. Highly conductive and stretchable silver nanowire conductors. Adv. Mater. 24 (37), 5117-5122 (2012).
  12. Yun, S., Niu, X., Yu, Z., Hu, W., Brochu, P., Pei, Q. Compliant silver nanowire-polymer composite electrodes for bistable large strain actuation. Adv. Mater. 24 (10), 1321-1327 (2012).
  13. Lee, P., et al. Highly stretchable and highly conductive metal electrode by very long metal nanowire percolation network. Adv. Mater. 24 (25), 3326-3332 (2012).
  14. Akter, T., Kim, W. S. Reversibly Stretchable Transparent Conductive Coatings of Spray-Deposited Silver Nanowires. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (4), 1855-1859 (2012).
  15. Madaria, A., Kumar, A., Ishikawa, F., Zhou, C. Uniform, highly conductive, and patterned transparent films of a percolating silver nanowire network on rigid and flexible substrates using a dry transfer technique. Nano Res. 3 (8), 564-573 (2010).
  16. Lee, J., et al. Room-Temperature Nanosoldering of a Very Long Metal Nanowire Network by Conducting-Polymer-Assisted Joining for a Flexible Touch-Panel Application. Adv. Funct. Mater. 23 (34), 4171-4176 (2013).
  17. Tokuno, T., et al. Fabrication of silver nanowire transparent electrodes at room temperature. Nano Res. 4 (12), 1215-1222 (2011).
  18. Garnett, E. C., et al. Self-limited plasmonic welding of silver nanowire junctions. Nat. Mater. 11 (3), 241-249 (2012).
  19. Zhu, S., et al. Transferable self-welding silver nanowire network as high performance transparent flexible electrode. Nanotechnology. 24 (10), 1321-1327 (2013).
  20. Han, S., et al. Fast Plasmonic Laser Nanowelding for a Cu-Nanowire Percolation Network for Flexible Transparent Conductors and Stretchable Electronics. Adv. Mater. 26 (33), 5808-5814 (2014).
  21. Chen, S. P., Liao, Y. C. Highly stretchable and conductive silver nanowire thin films formed by soldering nanomesh junctions. Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (37), 19856-19860 (2014).
  22. Chen, S. P., Kao, Z. K., Lin, J. L., Liao, Y. C. Silver conductive features on flexible substrates from a thermally accelerated chain reaction at low sintering temperatures. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (12), 7064-7068 (2012).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

LED

מאמרים קשורים