《Nanotechnology》：通過可擴(kuò)展的銀納米線印刷和燒結(jié)實(shí)現(xiàn)高度透明和導(dǎo)電電極

背景：

銀納米線（AgNWs）在柔性和透明電子領(lǐng)域有著良好的前景。然而，如何實(shí)現(xiàn)具有高光學(xué)透明度、導(dǎo)電性和機(jī)械耐久性的大規(guī)模印刷AgNWs的實(shí)際應(yīng)用仍然是一個(gè)懸而未決的問題，盡管已經(jīng)進(jìn)行了十多年的廣泛研究。在這項(xiàng)工作中，我們提出了一種可能的解決方案，將AgNWs的絲網(wǎng)印刷與閃光燈燒結(jié)(FLS)相結(jié)合。我們證明使用低濃度，可絲網(wǎng)印刷的AgNWs油墨可以實(shí)現(xiàn)大面積和高分辨率的AgNWs圖案。FLS工藝的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，它允許低溫處理、短操作時(shí)間和高輸出速率，適合可擴(kuò)展制造。重要的是，我們表明所得的AgNWs圖案具有低片電阻(1.1-9.2歐姆平方?1)，高透明度(75.2-92.6%)的特點(diǎn)，因此具有可與最先進(jìn)技術(shù)相媲美的卓越性能。AgNWs圖案的這些杰出特性，以及我們提出的可擴(kuò)展制造方法，將促進(jìn)許多基于AgNWs的應(yīng)用，如透明加熱器，可拉伸顯示器和可穿戴設(shè)備;在這里，我們展示了靈活透明的射頻5G天線的新設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)介紹：

隨著近年來人們對(duì)光學(xué)透明電子學(xué)的興趣，透明導(dǎo)電電極得到了廣泛的研究。特別是，各種新興的納米材料，包括導(dǎo)電聚合物、碳材料(碳納米管、石墨烯)、金屬納米線和金屬網(wǎng)，都被用于開發(fā)具有高透明度和導(dǎo)電性的電極。在這些材料中，銀納米線(銀納米線)是非常有前途的，因?yàn)樵S多報(bào)道表明，銀納米線可以獲得具有片電阻和光透光率與傳統(tǒng)透明金屬氧化物相當(dāng)?shù)谋∧ぁｃy納米線的另一個(gè)機(jī)械優(yōu)勢(shì)是其機(jī)械柔韌性,即使在外部變形下也能保持導(dǎo)電性。

在AgNWs真正為透明電子做出貢獻(xiàn)之前，需要解決許多問題。一種是對(duì)AgNWs的形狀和大小進(jìn)行定形。各種技術(shù)已被用于AgNWs的圖案，如光刻，陰影掩蔽，紫外線臭氧表面處理和干轉(zhuǎn)移工藝。然而，這些技術(shù)要么需要多個(gè)處理步驟，要么受到圖案尺寸的限制，這也限制了圖案效率。一步印刷似乎是一種替代方法，可以實(shí)現(xiàn)高效、可擴(kuò)展的制造。然而，噴墨打印AgNWs需要短的納米線可以通過噴嘴而不會(huì)堵塞;絲網(wǎng)印刷和凹版印刷油墨要么需要高AgNWs負(fù)載，要么需要添加絕緣粘合劑。因此，印刷電極的功能性能通常會(huì)受到影響，包括低電導(dǎo)率(<106Sm?1)[31,32]和較差的光學(xué)透明度(<75%)。因此，盡管在這一領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的研究，但如何實(shí)現(xiàn)具有高光學(xué)透明度，導(dǎo)電性和機(jī)械耐久性的AgNWs的大規(guī)模印刷仍然是一個(gè)懸而未決的問題。

在這項(xiàng)工作中，我們開發(fā)了一種適合絲網(wǎng)印刷的定制AgNWs油墨。利用絲網(wǎng)印刷和氙氣閃光燈燒結(jié)(FLS)技術(shù)制備了具有高導(dǎo)電性和光學(xué)透明度的大面積電極。以超高分子量(Mw=2×106~3×106gmol^?1)的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)為粘結(jié)劑，制備了低銀負(fù)載量(約0.9wt%)的AgNWs絲網(wǎng)印刷油墨，這有利于高透明圖案的形成。優(yōu)化了油墨成分，使AgNWs圖案的沉積具有良好的空間分辨率(線寬和線間距約為50μm)。然后，利用FLS在幾毫秒內(nèi)燒結(jié)印刷的AgNWs圖案，使電導(dǎo)率提高70%以上(與未燒結(jié)電極相比)，而光學(xué)透明度沒有任何下降。我們獲得了可擴(kuò)展的AgNWs圖案，具有極低的片電阻(1.1-9.2歐姆平方?1)，超高的透明度(透光率75.2-92.6%)和優(yōu)越的品質(zhì)系數(shù)(FoM，超過1100)。此外，印刷和閃燒AgNWs圖案表現(xiàn)出出色的機(jī)械靈活性，在1000次彎曲循環(huán)后顯示出可忽略不計(jì)的電阻變化。這些特性適合柔性、透明、高性能的電子設(shè)備。作為概念驗(yàn)證，我們展示了一種多頻射頻(RF)天線，能夠在WiFi，藍(lán)牙和5G頻段中工作。

文獻(xiàn)中光子燒結(jié)部分：

將AgNWs置于閃光燈下5mm處，用200-1500nm寬波長的高強(qiáng)度脈沖光照射。據(jù)信，這種照明只會(huì)在NW結(jié)處產(chǎn)生高度局部的加熱。這種現(xiàn)象，也被稱為“熱點(diǎn)”，可能導(dǎo)致焊接的AgNWs結(jié)，因?yàn)楦邷氐臒徇^程。為了進(jìn)一步了解FLS對(duì)降低絲網(wǎng)印刷AgNWs圖案電阻的影響，我們研究了燒結(jié)過程的各種參數(shù)，包括脈沖長度、脈沖電壓、能量密度(取決于脈沖長度和施加電壓)和脈沖數(shù)。我們選擇AgNWs圖案作為參考樣品，其初始薄片電阻約為46歐姆平方?1，在λ=550nm處透光率為91.6%。首先，用不同的脈沖長度(對(duì)應(yīng)于不同的能量密度)燒結(jié)樣品，保持相同的脈沖電壓350V和脈沖數(shù)40。隨著脈沖長度從100μs增加600μs(對(duì)應(yīng)0.93Jcm^?2，圖2(c))，測(cè)量到的薄片電阻幾乎線性地從46ohmsq^?1下降到11ohmsq^?1。然后，當(dāng)脈沖長度進(jìn)一步增加到900μs時(shí)，電阻幾乎保持不變(約10.3歐姆平方?1)，其中能量密度cor-響應(yīng)為1.385Jcm^?2，表明NW間結(jié)的自限制行為。正如預(yù)期的那樣，即使暴露在1.385Jcm^?2的高光能量密度下，AgNWs電極的透射率在閃燈燒結(jié)過程中幾乎保持不變(約91.5%)。

接下來,當(dāng)脈沖電壓以50V階躍(脈沖長度為600μs，脈沖數(shù)為40)從100V增加到350V時(shí)，片電阻從45.9ohmsq^-1下降到10.1ohmsq^-1(圖S6(a))，當(dāng)脈沖電壓>400V時(shí)，片電阻達(dá)到10.3ohmsq^-1。最后，當(dāng)樣品燒結(jié)40次脈沖(共24ms)時(shí)，薄片電阻從46.6歐姆平方?1急劇下降到9.6歐姆平方?1(圖S6(b))。當(dāng)進(jìn)一步增加脈沖數(shù)(超過50個(gè)，對(duì)應(yīng)于30ms的曝光時(shí)間)時(shí)，薄片電阻僅略微增加到10.4歐姆平方?1。為了證明閃燒工藝的有效性，我們通過調(diào)整打印通道，打印出具有不同片電阻(5.8-42ohmsq^-1)和透射率(72-92.2%)的AgNWs圖案，然后在FL下燒結(jié)，優(yōu)化參數(shù)(脈沖長度:600μs;脈沖電壓:375V，脈沖數(shù):40)。如圖S7所示，所有絲網(wǎng)印刷的AgNWs圖案的片電阻都急劇下降了70%以上(最大值為82.7%;圖S7)暴露于FL總持續(xù)時(shí)間24ms后。

結(jié)論：

總之，通過將AgNWs分散到高粘性PVP基質(zhì)中，可以開發(fā)出AgNWs負(fù)載低至0.9wt%的絲網(wǎng)印刷AgNWs油墨。使用該油墨，AgNWs圖案具有大面積(200×200mm²)、高效率(高達(dá)200mms^?1)、高分辨率(線寬約50μm)、高光學(xué)透明度(λ=550nm處透射率92.2%)、通過絲網(wǎng)印刷和FLS獲得高導(dǎo)電性(大于2×106Sm^?1)和高FoM(大于1100)。絲網(wǎng)印刷的增材制造特性使我們的AgNWs電極技術(shù)適用于柔性和透明電子設(shè)備的大規(guī)模生產(chǎn)?；诜中蜛gNWs的天線通過模擬顯示了良好匹配的RF性能，包括回波損耗、天線增益和輻射方向圖。全打印的AgNWs天線在連續(xù)彎曲(100次循環(huán)彎曲，半徑低至10mm)和高光學(xué)透明度(在λ=550nm處透射率為87%)下具有顯著的機(jī)械穩(wěn)定性。卓越的電學(xué)、光學(xué)和機(jī)械性能使絲網(wǎng)印刷AgNWs電極成為一種非常有前途的技術(shù)，應(yīng)用于柔性、大面積、透明的電子和RF元件。

引用：

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6528/ab9c53/pdf