Abstract
Эластичный электроники определены как ключевой технологии для электронных приложений в следующем поколении. Одна из проблем, в изготовлении электронных устройств растяжению является подготовка растяжению проводников с большой механической стабильности. В этом исследовании, мы разработали простой метод изготовления химически припаять контактные точки между серебро нанопроводов (AgNW) сетей. AgNW nanomesh впервые нанесены на предметное стекло по методу нанесения покрытия распылением. Реактивный чернил, состоящий из наночастиц серебра (AgNPs) предшественников наносили распылением покрытием AgNW тонких пленок. После нагревания в течение 40 мин, AgNPs были преимущественно генерируется за нанопроводов соединений припаять nanomesh AgNW, и усилил проводящий сети. Химически модифицированный AgNW тонкопленочный затем переносили в полиуретана (PU) подложках методом литья. Паяных AgNW тонких пленок на ПУ не проявлял явную изменение электропроводности при растяжении или Rollinг процесс с удлинением штаммов до 120%.
Introduction
Деформируемые электронные устройства с большой растяжимости были определены в качестве критических частей к реализации носимых и портативной электроники в следующем поколении. 1 Эти растяжению электронные устройства не только показать большую гибкость, как тех электронных устройств на пластиковых листах, 2, 3, но также демонстрируют отличное производительность при тяжелых растяжения или скручивания условиях. 4 Для реализации растяжению электроника, материалы с большим электрическим производительности при большой деформации необходим. Последние достижения в области материаловедения, показали возможность синтезировать такие функциональные материалы и использовали их для разработки растягивается оптоэлектронных устройств 5-9 с большим допуском к сложной формы деформаций. Среди всех электронных функциональных материалов, стретч проводники необходимо для подачи электроэнергии в этих оптоэлектронных устройств и, таким образом, имеют решающее значение для производительности устройства.Из-за обычных проводящих материалов, таких как металл или оксид индия и олова, отсутствие механической прочности при большой деформации, межсоединений из этих материалов не могут обладать хорошей электропроводностью при растяжении процесс. Таким образом, эластичные подложки, покрытые тонким слоем гибкого проводящих материалов, таких как углеродные нанотрубки, графен 1, 10 или AgNWs, 11-14 предназначены для проводников с отличной эластичностью. Из-за высокой объемной проводимостью, AgNW тонкие пленки были показаны наиболее перспективным материалом для композиционных растяжению проводников. 13 Перколирующий сети AgNW тонких пленок можно эффективно разместить большие упругие деформации в процесс растяжения с большим электрической проводимости, и рассматриваются как Перспективным растяжению электрод кандидатом. Для реализации AgNW тонких пленок растяжению проводников, необходимо иметь эффективные электрические контакты между AgNWs. После жидкого ап осажденияд сушки на поверхности подложек, AgNWs регулярно складывать вместе, чтобы сформировать перколлирующий сетку с рыхлыми контактных пунктов, которые дают в больших электрических сопротивлений. Таким образом, необходимо для отжига контактов между нанопроводов от высокой температуры или высокого давления методы отжига 15-20 снизить контактное сопротивление.
В отличие от этих процессов отжига в литературе, здесь мы покажем простой химический способ для отжига AgNW сетевых соединений в обычных лабораторных условиях. 21 Процесс изготовления показан на фиг.4А. Реактивный чернил используется для спекания спрей покрытием AgNW тонких пленок на стеклянной пластине. После реакции контакты между нанопроводов покрыты серебром и, следовательно, сеть AgNW припаян химически вместе. Способ литой и корка затем используется для передачи припаян сеть AgNW к растягиванию PU подложки для формирования составного проводника, который не может быть ни явного изменения яп электропроводность, даже при больших растяжения 120%.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Подготовка Silver Предтечи Ink
- Добавить 1,85 г диэтаноламина (DEA) в 3,15 мл деионизованной воды.
- Растворить 0,15 г нитрата серебра в 5 мл деионизированной воды.
- Смешайте водный раствор нитрата серебра с DEA в соотношении 1: 1 по объему, чтобы иметь 10 мл серебряной краски предшественника непосредственно перед использованием.
2. Изготовление Эластичный Проводящие тонких пленок
- Подготовка AgNW чернил
- Развести 2 мл 0,5% вес AgNWs в изопропаноле с 18 мл деионизированной воды.
- Поместите его в ультразвуковой ванне в течение 30 сек при 25 ° С.
- Изготовление AgNW тонких пленок по авто-распыления
- Вырезать стандартной микроскопа на куски размером, равным 1 × 2,5 см 2. Подготовьте 16 кусочки стекла такого размера и очистить их с этанолом смачивается очистки объектива ткани.
- Передача 16 мл чернил AgNW (из раздела 1) в краски чашки airbrУСК с пипеткой. Установите аэрограф на компьютерным управлением робота для распыления.
- Поместите 8 из кусочков стекла в расположении 4 × 2 на сцене и исправить их термостойких лент. Общая площадь всех стеклянных подложек на этапе 4 × 5 см 2.
- Установите рабочее давление и температуру нагрева этапа 3 бар и 100 ° С, отдельно.
- Откройте программное обеспечение управления роботом. Нажмите, чтобы выбрать последовательность команд движения кисти в столбце "Команда". Введите необходимые входных параметров для завершения автоматической распыления программы, как показано на рисунке 1. Запустите программу.
Примечание: Команда "Скорость линии" делает путешествие в аэрограф 200 мм / сек. По команде "Кисть Area", то аэрографа движется вперед и назад в направлении короткой стороны массива стеклянной подложки в то время как этап движется вдоль направления длинной стороны и в пространстве между двумя штрихами 5 мм. «Линии Пуск" и "Лине End "команды определяют позиции начальной и конечной точек автоматического распыления работы. Позиции них зависят от положения массива стеклянной подложки на сцене. Термин" управление Подождите точку "устанавливает время ожидания 20 сек в в конце каждого авто распыления цикла. "Петля Адрес" команда позволяет несколько циклов распыления и количество авто распыления циклов в 15 раз. Более подробная инструкция команд можно найти в протоколе производителя. - Изменение количества авто распыления циклов в 30 раз. Повторите шаги 2.2.3 - 2.2.5 для изготовления AgNW тонких пленок 30 распыления циклов.
- После распыления, испечь серебряные нанопроволоки тонких пленок на горячей плите при 120 ° С в течение 10 мин.
- Химическая пайки процесс
- Литой 400 мкл из серебряной краски предшественника над каждым распылением покрытием серебра нанопроволоки тонкой пленки на стеклянной подложке.
- Выпекать фильмы на горячей плите при 100 &# 176; С в течение 40 мин.
- Промыть реактивные покрытия тщательно деионизированной водой, чтобы удалить остатки химических нереакционноспособные и воздушно-сухой пленки с покрытием.
- В ролях-пилинг процесс
- Литой 200 мкл коммерчески доступны на водной основе ПУ эмульсии по каждому серебром нанокомпозитных тонкой пленки на стеклянной подложке.
- Высушите фильмы в течение 10 ч, чтобы обеспечить полное затвердевание.
- Снимите образцы с стеклянных подложек как отдельно стоящие композитных пленок.
3. Характеристика
- Тест Растяжка
- Включите линейной моторизованных этапе и подождать 10 мин, пока машина, чтобы согреться.
- Откройте программное обеспечение управления этап. Установите количество движущихся шагов двигателя в 8000. Нажмите "Х +" в программном обеспечении управления этап для перемещения мобильного этап пока он не коснется фиксированный этап и нажмите "SET 0", чтобы установить позицию тон мобильная сцена как ноль в программном обеспечении управления этап.
Примечание: мобильная сцена перемещается 0,00125 мм за один шаг двигателя. Например, мобильная сцена перемещается на 1 см, если двигатель перемещает 8000 шагов. Знак плюс из "Х +" означает, что мобильная сцена движется в направлении приближения фиксированного этап в то время как отрицательный знак «X-» означает переход от фиксированной этапе. - Нажмите кнопку "X-", чтобы переместить мобильный сцену, чтобы оставить 1 см свободного пространства между мобильной и фиксированной этапе. Безопасный оба конца образца с проводными владельцев на этапах. Таким образом, растяжение площадь образца 1 × 1 см 2. Установка растяжения машины показана на рисунке 2.
- Используйте крокодил, которые другие концы проводки кабелей к держателям стадии (рисунок 2), для подключения к цифровой мультиметр для измерения сопротивления.
- Установите количество движущихся шагов двигателя, 800. Нажмите «X-", чтобы MOVе мобильная стадии 1 мм (10% деформации) от неподвижной стадии растянуть образец и регистрируют сопротивление. Повторите этот шаг, пока сопротивление значительно увеличивает (~ 150% нагрузку).
- Испытание на устойчивость
- Подготовьте тест, как в шагах 3.1.2 - 3.1.4.
- Откройте программное обеспечение цифровой мультиметр. Подключите цифровой мультиметр к компьютеру. Длительное нажатие кнопки "REL Δ" на цифровой мультиметр до иконки компьютера появляется в верхнем левом углу монитора цифрового мультиметра. Нажмите кнопку "подключение USB" в цифровой мультиметр программного обеспечения и программного обеспечения начинает записывать измеренные сопротивления.
- Введите команды в поля в программе панели программного обеспечения управления этап, как показано на рисунке 3 команды. ": U-4000" означает, для перемещения мобильного этап 4000 шагах от фиксированной этапе в то время как команда ": U4000» означает Для перемещения мобильного этап 4000 шагов назадк неподвижной стадии (4000 для 50% -ной деформации, 8000 на 100% деформации). Количество циклов растяжения в 15 раз. Скорость по умолчанию мобильного этапе 1 мм / сек.
- Нажмите кнопку "Выполнить" 123 в программе панели управления программным обеспечением этап, чтобы выполнить автоматическую программу. Мобильные сценические ходы в возвратно-поступательное движение, чтобы растянуть образец с удлинением циклов треугольной формы.
- Нажмите значок сохранить в программном обеспечении мультиметра и экспортировать данные профилей реагирования сопротивление в виде файла .xls.
- LED освещение тест
- Подготовьте тест, как в шагах 3.1.2 - 3.1.3. Подключите проводные держатели в серии с LED и питания.
- Включите питание. Увеличьте напряжение до 9 В, чтобы зажечь светодиод.
- Нажмите кнопку "X-", чтобы переместить этап 1 мм (10% нагрузки) мобильный от фиксированной этапе, чтобы растянуть образец и сфотографировать, чтобы записать яркость светодиода. Повторите этот шаг, покасвет LED становится тусклым. Будьте осторожны, что авто-экспозиции камеры должны быть выключены во время съемки.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Морфология тонкой пленки AgNW после химического процесса пайки показано на фиг.4В. Восстановленные AgNPs преимущественно растут на поверхности AgNWs и обернуть за провод / провод переходов. Рисунок 5 показывает изменение сопротивления листа с прикладными напряжения растяжения для распаян и паяных тонких пленок, содержащих различное количество AgNWs. После процесса химического пайки, AgNW тонкопленочного проводника может поддерживать высокую проводимость в условиях высокой деформации, независимо от количества распыляемой AgNWs. Оба спаянные AgNW тонких пленок показать поверхностное сопротивление ниже 100 Ом / кв, когда штаммы ниже 120% применяются. Композитные растяжению проведение тонких пленок показать большую механическую стабильность в динамическом процессе деформации. Рис 6 показано изменение сопротивления растяжению при удлинении проводника циклов треугольной формы с высокой скоростью деформации 0 .05 Сек -1. Нет очевидно изменение сопротивления не наблюдается с амплитудой деформации 50%. Когда амплитуда возрастает деформации до 100% деформации, пик сопротивления возрастает с увеличением числа циклов пульсации, и сопротивление пленки возвращается к исходному значению после пульсации остановок. Рисунок 7 демонстрирует электронный применение химически паяных тонких пленок ,
Рисунок 1. Скриншот программы управления роботом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2. Растяжка конфигурации машины. ve.com/files/ftp_upload/53623/53623fig2large.jpg "целевых =" _blank "> Нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 3. Скриншот ПО управления стадия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 4. Принципиальная схема процесса изготовления для высокой растяжению и проводящих металлических проводников. (А) Образцы готовят, как указано на рисунке. (B) СЭМ изображения химической пайки AgNW тонкой пленки перед передачей PU подложки. 53623fig4large.jpg "целевых =" _blank "> Нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 5. Тест Растяжка. Сравнение электрических сопротивлений распаянными и паяных AgNW тонких пленок с различными распыляется AgNW составляет при растяжении условиях. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 6. Тест на стабильность. Профили реагирования Сопротивление растяжения фильмы под удлинения циклов треугольной формы. Пульсирующий скорости деформации 10 с -1. Исследуемом образце выполнен из AgNW тонких пленок с 15 распыления циклов./ ftp_upload / 53623 / 53623fig6large.jpg "целевых =" _blank "S> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 7. Видео света СИД, связанный с раст проводника в различных условиях деформации. Изменение яркости светодиода, связанное с растянутой проводника показано на рисунке. Образец испытания производится из AgNW тонких пленок с 15 распыления циклов. (Щелкните правой кнопкой мыши, чтобы скачать)
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Процесс химической пайка может помочь укрепить контакт между серебряными нанопроводов. Как показано на фиг.4В, провод / провод узлы покрыты серебром после применения реактивной серебряной краски на напыляют AgNW тонкопленочный. Восстановление серебра сильно зависит от формальдегида, генерируемого от деградации DEA, и, таким образом процесс пайки или уменьшение серебро может быть ускорено повышением температуры. 22 Поскольку металлические поверхности AgNWs обеспечить эффективные сайты обмена электронами, наночастицы серебра преимущественно снижена вдоль поверхностей AgNW и обернуть над проволоки проволоки переходов с образованием амальгамированного контакты. Это химический процесс пайки, однако, нуждается в процессе промывки для удаления избыточной реактивной решения впоследствии. Нужно промыть тонких пленок припоя AgNW медленно и осторожно из-за низкой адгезии между стеклом и AgNWs перед сушкой. После промывки и сушки, тонкие пленки могут быть AgNWлегко переносится на ПУ методом литого и корка. С пресс-форму или спейсером в верхней части стекла, можно также легко регулировать толщину слоев полиуретана в композите растяжению проводников.
Композитные провода растяжению проявляют большую электропроводность в условиях высокой деформации независимо от количества распылителей с покрытием AgNWs. В результате твердо присоединились нанопроводов контактов, сеть AgNW остается неизменным при растяжении условиях и обеспечивают большие пути переноса электронов. Как показано на рисунке 5, листовые сопротивления растяжению распаянными проводников быстро увеличиваться применяемые штаммы увеличится, потому что удлинение проводников приводит к дислокации распаянными проволоки проволоки переходов и сократить проводящие пути сети AgNW. С другой стороны, лист сопротивления паяных растяжению проводников остаются цене ~ 100 Ω / кв на большом штамма 120%, что указывает на пониженное серебряную nanoparстицы у отжига контактов между AgNWs и повышения связности AgNWs, чтобы предотвратить вывих AgNW сетка. После того, как эффективное просачивается сеть AgNW формируется, композитные растяжению проводники могут проявлять высокую проводимость, независимо от суммы депонированных AgNW. Как видно из кривых сопротивления деформации на рисунке 5, растяжению проводник с половиной AgNW суммы (15 против 30) распыления циклов показывает практически такую же электрическую проводимость под процесс растяжения, указывающий, что количество AgNWs имеет незначительное воздействие на проводимость после химической пайки. В результате даже более низкое количество AgNW может быть использован до тех пор, в качестве исходного распылением, покрытые AgNW тонкие пленки являются проводящими до процесса химического пайки.
Растяжению проводники показать довольно хорошую механическую стабильность даже при больших динамических деформаций растяжения с быстрым ставок. Как показано на рисунке 6, припаяны сеть AgNW сетка остаетсянетронутыми, когда один относится треугольной циклов удлинения с большой деформации 50% деформации. Таким образом, электрическое сопротивление растяжению проводника практически неизменной остается с очень малым изменением ~ 5 Ом / кв, что соответствует изменению сопротивления (~ 4 Ω / кв) при статическом деформации 50%. Однако, когда даже большая амплитуда деформации (100%) применяется, большой разброс сопротивления наблюдается, что свидетельствует структурные изменения в целостности сети AgNW в пульсирующем процесса. Динамический изменение сопротивления значительно больше, чем в статическое растяжение. По сравнению с данными на рисунке 5, статическое сопротивление около 25 Ω / кв при 100% -ной деформации, а динамическое сопротивление 90 Ω представляет / кв на первый пик и увеличивает до 400 Ом / кв в динамическом пульсации. При большом напряжении 100%, образец не может выдержать динамического напряжения и некоторые структуры паяных Ag нанопроволоки сети могут быть повреждены, что приводит к непоследовательности betweeп поверхностное сопротивление при статических и динамических деформаций. Кроме того, в то время как растяжение направления неудачи, где пик сопротивления происходит, мгновенно большой ускорение скорости применяется мобильным этапе и может привести к дальнейшим структурных повреждений, которые отражают в увеличении в динамических пиковых сопротивлений. Кроме того, части разницы в статических и динамических сопротивлений может исходить от возможных временных дислокаций между AgNWs и субстратов ПУ при динамических деформациях. Те дислокации могут быть восстановлены, о чем свидетельствует тот факт, что сопротивление возвращается к исходному значению после пульсации остановок. Таким образом, чтобы избежать изменения сопротивления, нужно тщательно оценить адгезию и механическую совместимость AgNW сетки и упругие субстраты.
Растяжению проводники могут служить непосредственно в качестве идеальных упругих соединительных во многих электронных приложений. Рисунок 7 показывает динамическое наблюдение, когда StretChable проводник соединен со светодиодом в серии. При поставке с постоянным напряжением, яркость света СИД остается практически неизменным даже при деформации до 110%. Это синтезированное композит растягивается проводник может быть легко применены в любых электрических устройств, как упругих проводящих дорожек. Тем не менее, для дальнейшего осуществления в реальных электрических устройств, необходимо миниатюрных моделей электродных для полного схемы. Таким образом, дополнительные исследования по созданию растягивается цепей с методами печати все еще продолжается.
В целом, эта работа представляет собой простой способ изготовить очень растягивается проводников при низких температурах. Химически спаянные AgNW сети на ПУ может вместить значительные упругие деформации и обладают отличной электропроводностью, а также механическую стабильность в процесс растяжения. Кроме того, химически припаяны проводники показать почти идентичные электрические и механические характеристики, независимо от суммы AgNWs, яndicating возможного снижения отходов. Мы считаем, что это растягивается токопроводящий материал может непосредственно служить в качестве эффективных межсоединений в носимых и растяжению оптико-электронных приборов, таких как светодиодные и солнечных батарей, для электроники нового поколения.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Silver nanowire | Sigma-Aldrich | 778095-25ML | AgNW, 120 nm in diameter and 20-50 mm in length, 0.5 wt% in IPA |
| Silver nitrate crystal | Macron Fine Chemicals | MK216903 | |
| Diethanolamine | Sigma-Aldrich | D8885-500G | |
| Polyurethane emulsion | First Chemical | 20130326036 | 35 wt% water-based anionic polyester-polyurethane emulsion |
| Airbrush | Taiwan Airbrush & Equipment | AFC-sensor | |
| Desktop robot | Dispenser Tech | DT-200 | |
| Digital dispenser controller | Dispenser Tech | 9000E | |
| Auto-spraying program | Dispenser Tech | Smart robot edit version 3.0.0.5 | |
| Air compressor | PUMA Industrial | NCS-10 | |
| Linear motorized stage | TANLIAN E-O | Customized | |
| Stage control software | TANLIAN E-O | Customized | |
| Digital multimeter | HILA INTERNATIONAL | DM-2690TU | |
| Digital multimeter software | HILA INTERNATIONAL | NA | |
| Power supply | CHERN TAIH | CT-605 | |
| LED | PChome | M08330766 | http://www.pcstore.com.tw/sun-flower/M08330766.htm |
References
- Rogers, J. A., Someya, T., Huang, Y. Materials and mechanics for stretchable electronics. Science. 327 (5973), 1603-1607 (2010).
- Mazzeo, A. D., et al. Paper-based, capacitive touch pads. Adv. Mater. 24 (21), 2850-2856 (2012).
- Yang, C., et al. Silver nanowires: from scalable synthesis to recyclable foldable electronics. Adv. Mater. 23 (27), 3052-3056 (2011).
- Sekitani, T., Someya, T. Stretchable, Large-area Organic Electronics. Adv. Mater. 22 (20), 2228-2246 (2010).
- Lipomi, D. J., Tee, B. C., Vosgueritchian, M., Bao, Z. Stretchable organic solar cells. Adv. Mater. 23 (15), 1771-1775 (2011).
- Liang, J., Li, L., Niu, X., Yu, Z., Pei, Q. Elastomeric polymer light-emitting devices and displays. Nat. Photonics. 7 (10), 817-824 (2013).
- White, M. S., et al. Ultrathin, highly flexible and stretchable PLEDs. Nat. Photonics. 7 (10), 811-816 (2013).
- Chang, I., et al. Performance enhancement in bendable fuel cell using highly conductive Ag nanowires. Int. J. Hydrogen Energ. 39 (14), 7422-7427 (2014).
- Yan, C. Y., et al. An Intrinsically Stretchable Nanowire Photodetector with a Fully Embedded Structure. Adv. Mater. 26 (6), 943-950 (2014).
- Lee, M. S., et al. High-performance, transparent, and stretchable electrodes using graphene-metal nanowire hybrid structures. Nano Lett. 13 (6), 2814-2821 (2013).
- Xu, F., Zhu, Y. Highly conductive and stretchable silver nanowire conductors. Adv. Mater. 24 (37), 5117-5122 (2012).
- 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).
- 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).
- Akter, T., Kim, W. S. Reversibly Stretchable Transparent Conductive Coatings of Spray-Deposited Silver Nanowires. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4 (4), 1855-1859 (2012).
- 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).
- 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).
- Tokuno, T., et al. Fabrication of silver nanowire transparent electrodes at room temperature. Nano Res. 4 (12), 1215-1222 (2011).
- Garnett, E. C., et al. Self-limited plasmonic welding of silver nanowire junctions. Nat. Mater. 11 (3), 241-249 (2012).
- Zhu, S., et al. Transferable self-welding silver nanowire network as high performance transparent flexible electrode. Nanotechnology. 24 (10), 1321-1327 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
