Artykuł metodologiczny

Metoda wytwarzania wysoce rozciągliwych przewodników z nanodrutami srebra

DOI:

10.3791/53623

⸱

21 stycznia 2016

 ,  , 
1Department of Chemical Engineering, National Taiwan University

W tym artykule

Podsumowanie

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

Prosta metoda syntezy jest używana do chemicznego cienkiej warstwy nanodrutów srebra w celu wytworzenia wysoce rozciągliwych i przewodzących przewodników metalowych.

Streszczenie

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

Rozciągliwa elektronika jest identyfikowana jako kluczowa technologia dla zastosowań elektronicznych w następnej generacji. Jednym z wyzwań w produkcji rozciągliwych urządzeń elektronicznych jest przygotowanie rozciągliwych przewodników o dużej stabilności mechanicznej. W tym badaniu opracowaliśmy prostą metodę wytwarzania do chemicznego punktów styku między sieciami z nanodrutami srebra (AgNW). Nanosiatka AgNW została najpierw osadzona na szkiełku podstawowym metodą natryskiwania. Reaktywny atrament złożony z prekursorów nanocząstek srebra (AgNPs) nałożono na cienkie warstwy AgNW pokryte sprayem. Po 40 minutach podgrzewania, AgNP były preferencyjnie generowane nad złączami nanoprzewodowymi w celu przylutowania nanosiatki AgNW i wzmocnienia sieci przewodzącej. Chemicznie zmodyfikowana cienka warstwa AgNW została następnie przeniesiona na podłoża poliuretanowe (PU) metodą odlewania. Lutowane cienkie warstwy AgNW na poliuretancie nie wykazywały widocznych zmian w przewodności elektrycznej w procesie rozciągania lub walcowania z odkształceniami wydłużającymi do 120%.

Wprowadzenie

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

Odkształcalne urządzenia elektroniczne o dużej rozciągliwości zostały zidentyfikowane jako kluczowe części do realizacji przenośnej elektroniki nowej generacji. 1 Te rozciągliwe urządzenia elektroniczne nie tylko wykazują dużą elastyczność, jak urządzenia elektroniczne na arkuszach z tworzywa sztucznego,2, 3 ale także wykazują doskonałą wydajność w warunkach silnego rozciągania lub skręcania. 4 Aby zrealizować rozciągliwą elektronikę, potrzebne są materiały o doskonałej wydajności elektrycznej przy dużych odkształceniach. Ostatnie postępy w materiałoznawstwie wykazały możliwość syntezy takich funkcjonalnych materiałów i wykorzystania ich do projektowania rozciągliwych urządzeń optoelektronicznych 5-9 o dużej tolerancji na złożone deformacje kształtu. Spośród wszystkich elektronicznych materiałów funkcjonalnych, rozciągliwe przewodniki są niezbędne do dostarczania energii elektrycznej do tych urządzeń optoelektronicznych, a zatem mają kluczowe znaczenie dla wydajności urządzenia. Ponieważ regularne materiały przewodzące, takie jak metal lub tlenek indu cyny, nie mają wytrzymałości mechanicznej przy dużych odkształceniach, połączenia wykonane z tych materiałów nie są w stanie wykazywać dobrej przewodności elektrycznej w procesie rozciągania. Tak więc elastyczne podłoża pokryte cienką warstwą elastycznych materiałów przewodzących, takich jak nanorurki węglowe,1 grafen,10 lub AgNW,11-14 są przeznaczone do przewodników o doskonałej rozciągliwości. Ze względu na wysoką przewodność masową, cienkie warstwy AgNW okazały się najbardziej obiecującym materiałem na rozciągliwe przewodniki kompozytowe. 13 Sieci perkolacyjne cienkich warstw AgNW mogą skutecznie kompensować duże odkształcenia sprężyste w procesie rozciągania z dużą przewodnością elektryczną i są uważane za obiecującego kandydata na rozciągliwe elektrody. Aby wdrożyć cienkie warstwy AgNW jako rozciągliwe przewodniki, konieczne jest posiadanie efektywnych kontaktów elektrycznych między AgNW. Po osadzeniu się cieczy i wysuszeniu na powierzchniach podłoża, AgNW regularnie układają się razem, tworząc przesączającą się siatkę z luźnymi punktami kontaktu, które dają duże opory elektryczne. W związku z tym należy wyżarzać styki między nanodrutami metodami wyżarzania wysokotemperaturowego lub wysokociśnieniowego15-20, aby zmniejszyć rezystancje styku.

W przeciwieństwie do tych procesów wyżarzania w literaturze, tutaj zademonstrujemy prostą metodę chemiczną do wyżarzania połączeń sieciowych AgNW w normalnych warunkach laboratoryjnych. 21 Proces produkcji pokazano na rysunku 4A. Atrament reaktywny służy do spiekania cienkich warstw AgNW pokrytych natryskowo na płycie szklanej. Po reakcji styki między nanodrutami są pokryte srebrem, a zatem sieć AgNW jest lutowana ze sobą chemicznie. Następnie stosuje się metodę odlewania i odklejania w celu przeniesienia lutowanej sieci AgNW na rozciągliwe podłoże PU w celu utworzenia przewodnika kompozytowego, który nie może wykazywać żadnych oczywistych zmian w przewodności elektrycznej nawet przy dużym odkształceniu rozciągającym wynoszącym 120%.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Przygotowanie Atramentu Prekursora Srebra

  1. Dodać 1,85 g dietanoloaminy (DEA) do 3,15 ml wody dejonizowanej.
  2. Rozpuścić 0,15 g azotanu srebra w 5 ml wody dejonizowanej.
  3. Zmieszaj wodny roztwór azotanu srebra z DEA w stosunku objętościowym 1:1, aby uzyskać 10 ml atramentu z prekursora srebra bezpośrednio przed użyciem.

2. Wytwarzanie rozciągliwych cienkich warstw przewodzących

  1. Przygotowanie tuszu AgNW
    1. Rozcieńczyć 2 ml 0,5% wag. AgNW w izopropanolu w 18 ml wody dejonizowanej.
    2. Umieścić go w łaźni ultradźwiękowej na 30 sekund w temperaturze 25 °C.
  2. Wytwarzanie cienkich warstw AgNW metodą automatycznego powlekania natryskowego
    1. Pokrój standardowe szkiełka mikroskopowe na kawałki o wielkości 1×2,5 cm2. Przygotuj 16 kawałków szkła tej wielkości i wyczyść je chusteczką do czyszczenia soczewek zwilżoną etanolem.
    2. Przenieś 16 ml tuszu AgNW (z sekcji 1) do pojemnika na farbę aerografu za pomocą pipety. Zamontuj aerograf na robocie sterowanym komputerowo w celu natryskiwania powłoki.
    3. Umieść na scenie 8 kawałków szkła w układzie 4×2 i przymocuj je taśmami żaroodpornymi. Łączna powierzchnia wszystkich szklanych podłoży na scenie wynosi 4×5cm2.
    4. Ustawić oddzielnie ciśnienie robocze i temperaturę etapu grzewczego na 3 bar i 100 °C.
    5. Otwórz oprogramowanie sterujące robotem. Kliknij, aby wybrać sekwencję poleceń ruchu pędzla w kolumnie "Polecenie". Wprowadź niezbędne parametry wejściowe, aby zakończyć program automatycznego natryskiwania, jak pokazano na rysunku 1. Uruchom program.
      Uwaga: Polecenie "Prędkość linii" sprawia, że aerograf porusza się z prędkością 200 mm/s. Za pomocą polecenia "Obszar pędzla" aerograf porusza się do przodu i do tyłu w kierunku krótszego boku układu szklanego podłoża, podczas gdy stolik porusza się w kierunku dłuższego boku, a odstęp między dwoma pociągnięciami wynosi 5 mm. Polecenia "Początek linii" i "Koniec linii" określają pozycje punktu początkowego i końcowego operacji automatycznego natryskiwania. Ich położenie zależy od położenia układu szklanych substratów na scenie. Polecenie "Punkt oczekiwania" ustawia czas oczekiwania na 20 sekund na końcu każdego cyklu automatycznego natryskiwania. Polecenie "Loop Address" umożliwia wiele cykli natryskiwania, a liczba cykli automatycznego natryskiwania jest 15 razy. Bardziej szczegółową instrukcję poleceń można znaleźć w protokole producenta.
    6. Zmień liczbę cykli automatycznego natryskiwania na 30 razy. Powtórz kroki 2.2.3 - 2.2.5, aby wytworzyć cienkie warstwy AgNW w 30 cyklach natryskiwania.
    7. Po nałożeniu powłoki natryskowej piecz cienkie folie z nanodrutów srebra na gorącej płycie w temperaturze 120 °C przez 10 minut.
  3. Proces chemicznego
    1. Odlać 400 μl atramentu prekursora srebra na każdą cienką warstwę nanodrutu srebra pokrytą natryskowo na szklanym podłożu.
    2. Piecz folie na gorącej płycie w temperaturze 100 °C przez 40 minut.
    3. Ostrożnie spłucz reaktywne powłoki dejonizowaną wodą, aby usunąć niereaktywne pozostałości chemiczne i wysusz powlekane folie na powietrzu.
  4. Proces złuszczania odlewów
    1. Odlewać 200 μl dostępnej w handlu emulsji poliuretanowej na bazie wody na każdą cienką warstwę nanokompozytu srebra na szklanym podłożu.
    2. Suszyć folie na powietrzu przez 10 godzin, aby zapewnić pełne zestalenie.
    3. Próbki należy odkleić od podłoży szklanych w postaci wolnostojących folii kompozytowych.

3. Charakterystyka

  1. Próba rozciągania
    1. Włącz liniowy stage z napędem i odczekaj 10 minut, aż maszyna się rozgrzeje.
    2. Otwórz oprogramowanie sterujące sceną. Ustaw liczbę ruchomych kroków silnika na 8,000. Kliknij "X+" w oprogramowaniu do sterowania sceną, aby przesunąć mobilną scenę, aż dotknie stałej sceny, a następnie kliknij "SET 0", aby ustawić pozycję sceny mobilnej na zero w oprogramowaniu do sterowania sceną.
      Uwaga: Stolik ruchomy przesuwa się o 0,00125 mm w jednym kroku silnika. Na przykład stolik mobilny przesuwa się o 1 cm, jeśli silnik porusza się o 8 000 kroków. Znak plus "X+" oznacza, że stolik ruchomy porusza się w kierunku zbliżania się do stopnia stałego, natomiast znak ujemny "X-" oznacza oddalanie się od stopnia stałego.
    3. Kliknij "X-", aby przesunąć stolik mobilny, aby pozostawić 1 cm odstępu między stolikiem mobilnym a stolikiem stałym. Zabezpiecz oba końce próbki za pomocą przewodowych uchwytów na stolikach. W związku z tym powierzchnia rozciągania próbki wynosi 1×1cm2. Konfiguracja maszyny do rozciągania jest pokazana na rysunku 2.
    4. Użyj zacisków krokodylkowych, które są drugimi końcami kablowych do stage uchwyty (Rysunek 2), aby podłączyć się do multimetru cyfrowego w celu pomiaru rezystancji.
    5. Ustaw liczbę ruchomych kroków silnika na 800. Kliknij "X-", aby przesunąć ruchomy stolik o 1 mm (10% odkształcenia) od stałego stolika, aby rozciągnąć próbkę i zarejestrować rezystancję. Powtarzaj ten krok, aż opór znacznie wzrośnie (~150% odkształcenia).
  2. Test stabilności
    1. Przygotuj test jak w krokach 3.1.2 - 3.1.4.
    2. Otwórz oprogramowanie multimetru cyfrowego. Podłącz multimetr cyfrowy do komputera. Naciśnij i przytrzymaj przycisk "REL Δ" na multimetrze cyfrowym, aż w lewym górnym rogu monitora multimetru cyfrowego pojawi się ikona komputera. Kliknij "Połączenie USB" w oprogramowaniu multimetru cyfrowego, a oprogramowanie zacznie rejestrować zmierzone rezystancje.
    3. Wprowadź polecenia w polach wejściowych w panelu programu oprogramowania sterującego stolikiem, jak pokazano na rysunku 3. Polecenie ":U-4000" oznacza przesunięcie etapu ruchomego o 4000 kroków od etapu stałego, podczas gdy polecenie ":U4000" oznacza przesunięcie etapu ruchomego o 4000 kroków z powrotem do etapu stałego (4000 dla 50% odkształcenia, 8000 dla 100% odkształcenia). Liczba cykli rozciągania wynosi 15 razy. Domyślna prędkość stolika mobilnego wynosi 1 mm/s.
    4. Kliknij "Uruchom 123" w panelu programu oprogramowania sterującego sceną, aby uruchomić program automatyczny. Ruchomy stolik porusza się ruchem posuwisto-zwrotnym, aby rozciągnąć próbkę za pomocą cykli wydłużenia o trójkątnym kształcie fali.
    5. Kliknij ikonę zapisywania w oprogramowaniu multimetru i wyeksportuj dane profili odpowiedzi rezystancji jako plik .xls.
  3. Test oświetlenia LED
    1. Przygotuj test jak w krokach 3.1.2 - 3.1.3. Połącz przewodowe uchwyty szeregowo z diodą LED i zasilaczem.
    2. Włącz zasilanie. Zwiększ napięcie do 9 V, aby zapalić diodę LED.
    3. Kliknij "X-", aby przesunąć ruchomy stolik o 1 mm (10% odkształcenia) od stałego stolika, aby rozciągnąć sample i zrobić zdjęcie, aby zarejestrować jasność diody LED. Powtarzaj ten krok, aż światło diody LED stanie się przyciemnione. Należy uważać, aby automatyczna ekspozycja aparatu była wyłączona podczas robienia zdjęć.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Morfologia cienkiej warstwy AgNW po procesie chemicznego jest pokazana na rysunku 4B. Odzyskane AgNP preferencyjnie rosną na powierzchni AgNW i owijają się nad połączeniami drut/drut. Rysunek 5 przedstawia różnice w wytrzymałości blachy przy zastosowanych naprężeniach wydłużających dla nielutowanych i lutowanych cienkich warstw zawierających różną ilość AgNW. Po procesie chemicznego cienkowarstwowe przewodniki AgNW mogą utrzymywać wysoką przewodność w war...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Proces chemicznego może pomóc wzmocnić kontakt między srebrnymi nanodrutami. Jak pokazano na rysunku 4b, połączenia przewód/drut są pokryte srebrem po nałożeniu reaktywnego atramentu srebrnego na cienką warstwę AgNW pokrytą natryskowo. Odzysk srebra opiera się w dużej mierze na formaldehydzie powstającym w wyniku degradacji DEA, a zatem proces lub redukcji srebra może być przyspieszony wraz ze wzrostem temperatury. 22 Ponieważ metalowe powierzchnie AgNW zapewniają efektywne miejsca wymiany ele...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Autorzy są wdzięczni za wsparcie finansowe od Ministerstwa Nauki i Technologii.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Nanodrut srebraSigma-Aldrich778095-25MLAgNW, średnica 120 nm i długość 20-50 mm, 0,5% wag. w IPA
Kryształ azotanu srebraMacron Fine ChemicalsMK216903
DietanoloaminaSigma-AldrichD8885-500G
Emulsja poliuretanowaFirst Chemical2013032603635% wag. anionowy poliester-poliuretan na bazie wody emulsja
AerografTajwan Aerograf & Wyposażenie Czujnik AFC 
Robot biurkowyDozownik TechDT-200 
Cyfrowy sterownik dozownikaDozownik Tech9000E 
Program automatycznego natryskiwaniaDozownik TechInteligentny robot edytuj wersję 3.0.0.5
Sprężarka powietrza PUMA IndustrialNCS-10 
Stolik liniowy z napędemTANLIAN E-ODostosowane
oprogramowanie do sterowania scenąTANLIAN E-ODostosowane
Multimetr cyfrowyHILA INTERNATIONALDM-2690TU
Oprogramowanie multimetru cyfrowegoHILA INTERNATIONALNA
ZasilaczCHERN TAIHCT-605
LEDPChomeM08330766http://www.pcstore.com.tw/sun-flower/M08330766.htm
silnikowym

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Sieci nanodrut w srebrnychmetoda natryskowaproces lutowania chemicznegoprekursory nanocz steczek srebrapod o a poliuretanowebadanie przewodno ci elektrycznejprocedura testu rozci ganiaprotok testu stabilno citest o wietlenia LED

Powiązane artykuły