银纳米线导电薄膜制备与电镀修饰及性能

发布时间：2020-04-19 17:08

【摘要】：随着纳米技术和印刷电子技术的崛起,电子器件不断向柔性化和可穿戴化的方向发展,柔性电子(Flexible electronics)已然成为学术界和产业界中研究的前沿之一,在全世界范围内掀起了一场全新的电子技术革命。柔性透明导电薄膜作为柔性器件的核心组件,其性能和稳定性将决定柔性器件的服役可靠性及应用范围。因此,制备高性能、高可靠的柔性导电薄膜对于推动柔性电子的发展具有重要的意义。由于银纳米线导电薄膜具有优异的光电性能,被认为可用于柔性器件的理想材料。然而,银纳米线导电薄膜在使用过程中性能会逐渐劣化,长期工作稳定性差,极易导致器件失效。为推进银纳米线导电薄膜的大规模应用亟需开发出一种简单、便捷、有效的稳定性增强技术。本文创新性地提出采用电镀法制备银纳米线透明导电薄膜,通过在银纳米线表面电镀防护层,实现了银纳米线之间的有效连接,降了低纳米线间接触电阻,同时大幅增强了导电薄膜的热稳定性、化学稳定性及机械稳定性,制备出了高性能、高可靠的柔性导电薄膜。最后,成功地将这种增强型透明导电薄膜应用于可穿戴加热器件中,拓宽了银纳米线导电薄膜在柔性与可穿戴电子中的应用范围。结合银纳米线的晶体学结构对其生长机制进行分析,阐明了银纳米线各向异性形核与定向生长的离子调控机制,并对影响银纳米线生长过程的主要因素进行了系统研究。明确了不同反应参数在银纳米线不同生长阶段中的作用:反应温度影响银的还原速度和纳米线的生长速度;离子浓度影响银的形核速度和纳米线的长度;氧与溶液离子相互作用在形核阶段促进银形核,在生长阶段阻碍纳米线的生长;PVP的浓度则影响纳米线最终的直径。利用透射电子显微镜对合成的银纳米线进行表征,明确了银纳米线是由{100}和{111}外表面组成的棱柱-棱锥五重旋转对称结构,孪晶面为{111}面,孪晶面间的缝隙则由孪晶带和层错构成。针对银纳米线的生长特点改变试剂参数和反应条件,成功制得最长平均长度达100μm的银纳米线。将电镀法应用于纳米尺度连接,提出了利用电镀法连接银纳米线导电薄膜方法,实现了大气环境下PET基底上银纳米线网格的室温快速连接,镀层在纳米线上选择性沉积避免了涂层对透明导电薄膜透光率的影响。经过电镀修饰后的银纳米线透明导电薄膜透光率大于85%,方阻低于10Ω/sq。基于NernstEinstein方程与Tohru理论,从晶体生长和电镀电极电场条件出发,阐明了电镀电流大小与镀层形貌的关系:电镀电流越大镀层晶粒越细表面粗糙度越低,但受镀液浓度限制存在极限电流,超过极限电流后会造成镀层形貌失控。考虑到镀层与基体之间的晶格匹配问题,明确了不同材料的晶格配位关系:镍层和银基体的晶格以(111)面匹配,其失配度为15.98%,而银层与银基体不存在晶格失配问题。因此银镀层和镍镀层在银纳米线表面生长机制不同:镍层的生长方式基于S-K模式(混合生长),而银层的生长基于F-M模式(层状生长),导致不同镀层材料最终的微观形貌产生差别。镍镀层有效提高了纳米线导电薄膜的长期工作稳定性,相比于纯银纳米线导电薄膜和电镀银纳米线导电薄膜,电镀镍处理后的导电薄膜的热稳定性、抗电化学迁移性能、抗氧化性能、长期存储稳定性和机械稳定性均大幅提高。纯银纳米线具有瑞利不稳定性,无法在高温下保持稳定工作。而经电镀镍处理后银纳米线的热稳定性显著提高,在200℃下加热30 min后形貌未出现明显变化。镍镀层在空气中能够形成致密的氧化层,防止内部银纳米线受到外界环境侵蚀,电镀镍导电薄膜在NaCl溶液中浸泡1000 s性能没有明显变化。在抗电化学迁移测试中,采用直径为125 nm的银纳米线在1.64 s后即失效,而电镀镍后导电薄膜通电时间提升至453.70 s。经三个月存储后,电镀镍导电薄膜的方阻和透光率仍旧没有出现显著变化,导电薄膜中硫元素含量也保持着较低水平。电镀镍层有效避免了银纳米线在长期存储过程中的氧化和硫化问题。电镀后银纳米线之间形成了紧密连接,导电薄膜的机械稳定性有所提高,循环弯折4000次后导电薄膜的电阻依旧十分稳定。利用电镀处理后的导电薄膜制备了可穿戴加热器件。制备出的电镀镍柔性加热器最高工作温度可达170℃,经过120 min长时间通电测试和145次循环通电测试后加热器仍能稳定工作,表现出了高稳定性。可以预见,经电镀修饰的导电薄膜在柔性电子领域具有广阔的应用前景。
【图文】：

示意图,纳米线,过程,示意图

制备出单一材料纳米线，还可以制备复合材料纳米线[29]。图1-2展示了以AAO为模板制备复合材料纳米线的流程[30]。图 1-2 模板法制备纳米线过程的示意图[30]Fig. 1-2 Schematic diagram of the process for preparing nanowires by template method[30]

银纳米线,水热法合成

采用水热法合成的银纳米线
【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】：2019
【分类号】：O614.122;TB383.2;TQ153

【参考文献】