《Nanotechnology》：通过可扩展的银纳米线印刷和烧结实现高度透明和导电电极

背景：

银纳米线（AgNWs）在柔性和透明电子领域有着良好的前景。然而，如何实现具有高光学透明度、导电性和机械耐久性的大规模印刷AgNWs的实际应用仍然是一个悬而未决的问题，尽管已经进行了十多年的广泛研究。在这项工作中，我们提出了一种可能的解决方案，将AgNWs的丝网印刷与闪光灯烧结(FLS)相结合。我们证明使用低浓度，可丝网印刷的AgNWs油墨可以实现大面积和高分辨率的AgNWs图案。FLS工艺的一个关键优势在于，它允许低温处理、短操作时间和高输出速率，适合可扩展制造。重要的是，我们表明所得的AgNWs图案具有低片电阻(1.1-9.2欧姆平方−1)，高透明度(75.2-92.6%)的特点，因此具有可与最先进技术相媲美的卓越性能。AgNWs图案的这些杰出特性，以及我们提出的可扩展制造方法，将促进许多基于AgNWs的应用，如透明加热器，可拉伸显示器和可穿戴设备;在这里，我们展示了灵活透明的射频5G天线的新设计。

文献介绍：

随着近年来人们对光学透明电子学的兴趣，透明导电电极得到了广泛的研究。特别是，各种新兴的纳米材料，包括导电聚合物、碳材料(碳纳米管、石墨烯)、金属纳米线和金属网，都被用于开发具有高透明度和导电性的电极。在这些材料中，银纳米线(银纳米线)是非常有前途的，因为许多报道表明，银纳米线可以获得具有片电阻和光透光率与传统透明金属氧化物相当的薄膜。银纳米线的另一个机械优势是其机械柔韧性,即使在外部变形下也能保持导电性。

在AgNWs真正为透明电子做出贡献之前，需要解决许多问题。一种是对AgNWs的形状和大小进行定形。各种技术已被用于AgNWs的图案，如光刻，阴影掩蔽，紫外线臭氧表面处理和干转移工艺。然而，这些技术要么需要多个处理步骤，要么受到图案尺寸的限制，这也限制了图案效率。一步印刷似乎是一种替代方法，可以实现高效、可扩展的制造。然而，喷墨打印AgNWs需要短的纳米线可以通过喷嘴而不会堵塞;丝网印刷和凹版印刷油墨要么需要高AgNWs负载，要么需要添加绝缘粘合剂。因此，印刷电极的功能性能通常会受到影响，包括低电导率(<106Sm−1)[31,32]和较差的光学透明度(<75%)。因此，尽管在这一领域进行了广泛的研究，但如何实现具有高光学透明度，导电性和机械耐久性的AgNWs的大规模印刷仍然是一个悬而未决的问题。

在这项工作中，我们开发了一种适合丝网印刷的定制AgNWs油墨。利用丝网印刷和氙气闪光灯烧结(FLS)技术制备了具有高导电性和光学透明度的大面积电极。以超高分子量(Mw=2×106~3×106gmol⁻¹)的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为粘结剂，制备了低银负载量(约0.9wt%)的AgNWs丝网印刷油墨，这有利于高透明图案的形成。优化了油墨成分，使AgNWs图案的沉积具有良好的空间分辨率(线宽和线间距约为50μm)。然后，利用FLS在几毫秒内烧结印刷的AgNWs图案，使电导率提高70%以上(与未烧结电极相比)，而光学透明度没有任何下降。我们获得了可扩展的AgNWs图案，具有极低的片电阻(1.1-9.2欧姆平方−1)，超高的透明度(透光率75.2-92.6%)和优越的品质系数(FoM，超过1100)。此外，印刷和闪烧AgNWs图案表现出出色的机械灵活性，在1000次弯曲循环后显示出可忽略不计的电阻变化。这些特性适合柔性、透明、高性能的电子设备。作为概念验证，我们展示了一种多频射频(RF)天线，能够在WiFi，蓝牙和5G频段中工作。

文献中光子烧结部分：

将AgNWs置于闪光灯下5mm处，用200-1500nm宽波长的高强度脉冲光照射。据信，这种照明只会在NW结处产生高度局部的加热。这种现象，也被称为“热点”，可能导致焊接的AgNWs结，因为高温的热过程。为了进一步了解FLS对降低丝网印刷AgNWs图案电阻的影响，我们研究了烧结过程的各种参数，包括脉冲长度、脉冲电压、能量密度(取决于脉冲长度和施加电压)和脉冲数。我们选择AgNWs图案作为参考样品，其初始薄片电阻约为46欧姆平方−1，在λ=550nm处透光率为91.6%。首先，用不同的脉冲长度(对应于不同的能量密度)烧结样品，保持相同的脉冲电压350V和脉冲数40。随着脉冲长度从100µs增加600µs(对应0.93Jcm⁻²，图2(c))，测量到的薄片电阻几乎线性地从46ohmsq⁻¹下降到11ohmsq⁻¹。然后，当脉冲长度进一步增加到900µs时，电阻几乎保持不变(约10.3欧姆平方−1)，其中能量密度cor-响应为1.385Jcm⁻²，表明NW间结的自限制行为。正如预期的那样，即使暴露在1.385Jcm⁻²的高光能量密度下，AgNWs电极的透射率在闪灯烧结过程中几乎保持不变(约91.5%)。

接下来,当脉冲电压以50V阶跃(脉冲长度为600µs，脉冲数为40)从100V增加到350V时，片电阻从45.9ohmsq^-1下降到10.1ohmsq^-1(图S6(a))，当脉冲电压>400V时，片电阻达到10.3ohmsq^-1。最后，当样品烧结40次脉冲(共24ms)时，薄片电阻从46.6欧姆平方−1急剧下降到9.6欧姆平方−1(图S6(b))。当进一步增加脉冲数(超过50个，对应于30ms的曝光时间)时，薄片电阻仅略微增加到10.4欧姆平方−1。为了证明闪烧工艺的有效性，我们通过调整打印通道，打印出具有不同片电阻(5.8-42ohmsq^-1)和透射率(72-92.2%)的AgNWs图案，然后在FL下烧结，优化参数(脉冲长度:600µs;脉冲电压:375V，脉冲数:40)。如图S7所示，所有丝网印刷的AgNWs图案的片电阻都急剧下降了70%以上(最大值为82.7%;图S7)暴露于FL总持续时间24ms后。

结论：

总之，通过将AgNWs分散到高粘性PVP基质中，可以开发出AgNWs负载低至0.9wt%的丝网印刷AgNWs油墨。使用该油墨，AgNWs图案具有大面积(200×200mm²)、高效率(高达200mms⁻¹)、高分辨率(线宽约50μm)、高光学透明度(λ=550nm处透射率92.2%)、通过丝网印刷和FLS获得高导电性(大于2×106Sm⁻¹)和高FoM(大于1100)。丝网印刷的增材制造特性使我们的AgNWs电极技术适用于柔性和透明电子设备的大规模生产。基于分形AgNWs的天线通过模拟显示了良好匹配的RF性能，包括回波损耗、天线增益和辐射方向图。全打印的AgNWs天线在连续弯曲(100次循环弯曲，半径低至10mm)和高光学透明度(在λ=550nm处透射率为87%)下具有显著的机械稳定性。卓越的电学、光学和机械性能使丝网印刷AgNWs电极成为一种非常有前途的技术，应用于柔性、大面积、透明的电子和RF元件。

引用：

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

本网站所发表内容转载时会注明来源，版权归原出处所有（无法查证版权的或未注明出处的均来源于网络搜集）。转载内容（视频、文章、广告等）只以信息传播为目的，仅供参考，不代表本网站认同其观点和立场。内容的真实性、准确性和合法性由原作者负责。如涉及侵权，请联系删除，此转载不作为商业用途