铜纳米线导电薄膜光烧结法制备机理及器件应用

发布时间：2018-04-14 03:15

本文选题：铜纳米线 + 导电薄膜　；参考：《哈尔滨工业大学》2016年博士论文

【摘要】：导电薄膜是电子产品中必不可少的重要组件之一,广泛应用于显示屏幕、触摸屏、太阳能电池、发光二极管(Light-emitting diode, LED)等器件,并有望能够实现在柔性显示和可穿戴电子器件中的应用。然而,目前生产中制备导电薄膜使用的氧化铟锡(Indium tin oxide, ITO)材料存在造价高、储备少、脆性大等缺点。铜纳米线薄膜被认为是替代传统ITO导电薄膜的最有希望的材料之一,并且因其低廉的价格、丰富的储备和优异的导电性能受到越来越多的关注。为了促进铜纳米线导电薄膜的应用,研发简单、快捷、无需保护气氛、避免高温和腐蚀环境的制备铜纳米线导电薄膜的技术迫在眉睫。本文使用了一种新颖的快速光烧结技术制备铜纳米线透明导电薄膜,通过光烧结后铜纳米线网络的微观结构和表面成分分析,对光烧结机理进行了深入的探讨。同时,使用光烧结技术在树脂基薄膜上制备了可拉伸的铜纳米线导电薄膜,系统的对薄膜的弯曲、拉伸性能进行了考察。此外,实现了这种可拉伸的铜纳米线导电薄膜在可穿戴的传感器和加热器中的应用。使用绿色的水热法以十八胺(Octadecylamine, ODA)做表面活性剂合成了高质量的铜纳米线,其直径在40nm左右,长度为10μm-50μm。提出了水热法合成铜纳米线的生长机制,胺类表面活性剂的分子量是影响铜纳米线形貌的重要因素,铜离子容易与长碳链的胺类形成Cu2+～NH2-R的络合物,这种络合物促进了铜纳米线的形核和沿一维方向生长。通过X射线光电子谱(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)和高分辨透射电镜(High-resolution transmission electron microscope, HRTE M)对新合成的铜纳米线的分析发现,铜纳米线在表面发生氧化,而铜的氧化物会降低铜纳米线的导电性。采用快速光烧结技术在玻璃基底上成功制备了透过率为85%、方阻仅为34.1Ohm/sq的铜纳米线透明导电薄膜。通过对光烧结之后铜纳米线网络微观结构和表面成分的分析,揭示了光烧结作用机制。光能转化为热能烧结铜纳米线形成了互连的网络,相互间的接触面积增大；由于铜纳米线的表面等离子共振(Surface plasmon resonance, SPR)效应,铜纳米线在相互交叉的地方对光能的吸收更为强烈,促进了铜纳米线之间的互连；铜纳米线表面覆盖的ODA经光分解成为还原性的有机物,并与铜的氧化物反应,得到了更充分的铜-铜接触。由于铜纳米线之间互连网络的形成以及光分解去氧化的机制,光烧结技术成为一种快速、简单、有效的制备性能优秀的铜纳米线导电薄膜的方法。采用快速光烧结法在聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate, PET)基底上制备了铜纳米线透明导电薄膜。在普通柔性N-PET (Normal polyethylene terephthalate)薄膜上制备铜纳米线透明导电薄膜过程中,光烧结过程容易对PET树脂薄膜造成损伤,从而影响薄膜的透过率。通过使用表面处理的商用C-PET (Commercial polyethylene terephthalate)基底可以有效避免热量对薄膜的损伤,最终在柔性C-PET薄膜上制备了透过率为84%、方阻为53.5Ohm/sq的铜纳米线透明导电薄膜。使用一步光烧结技术在弹性聚氨基甲酸酯(Polyurethane, PU)基底表面制备铜纳米线可拉伸导电薄膜。研究结果表明,经过光烧结,铜纳米线埋入到PU薄膜的表面,这种埋入结构有利于增强薄膜的机械鲁棒性。测试结果表明,铜纳米线/PU导电薄膜在10%应力下拉伸／释放1000个循环,相对电阻仅仅增长了一倍。在聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)基底上制备铜纳米线可拉伸导电薄膜的结果表明,由于光烧结之后铜纳米线与PDMS基底之间结合力较弱,铜纳米线/PDMS导电薄膜在拉伸条件下电性能迅速降低。在铜纳米线/PDMS导电薄膜表面再次涂覆PDMS薄膜大大改善了两者之间的结合力.载20%应力下循环拉伸/释放1000个循环,电阻只增长为原来的1.8倍。实现了铜纳米线/PU可拉伸导电薄膜在可穿戴的应力传感器和加热器上的应用。在手指关节处粘贴铜纳米线/PU导电薄膜,通过手指弯曲和伸直状态下导电薄膜的电阻变化可以对手指的行为进行探测。在铜纳米线/PU导电薄膜两端输入电压,实现了铜纳米线导电薄膜的加热功能。当输入电压为3V时,薄膜温度可以达到46°C。这两种器件的成功制备为铜纳米线导电薄膜在信息传输和医疗等领域的应用提供了依据。
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【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2

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