论文部分内容阅读
近年来,面向下一代先进电子器件的柔性和印刷电子技术研究逐渐兴起,发展迅速。透明电极作为电子工业中的重要部件,在太阳能电池、触摸屏、发光二极管和各类传感器等诸多应用中均扮演着不可或缺的角色。然而,目前广泛应用的透明电极材料铟锡氧化物(Indium tin oxide,ITO)因其自身脆性大、加之工艺成本高、元素储量稀缺等不利因素难以适用于柔性和印刷电子领域应用,因而亟需其他性能优异的电极材料替代ITO。基于银纳米线网络的透明电极具有良好的导电性及透光性,并且在电极柔性、加工成本方面优势突出,是理想的ITO替代材料。然而,银纳米线透明电极因其长期使用可靠性差而陷入优异性能逐渐衰减的窘境,这也成为其推广应用所面临的瓶颈问题。其中银纳米线电极光致劣化行为及性能属于前沿的新兴研究领域,目前鲜有相关的报道。本文从制备高性能银纳米线电极出发,研究了银纳米线网络光致劣化行为特点及成因,设计并制备了新型防护方案用以提高电极的抗劣化可靠性,研究了除物理隔绝防护之外的多种防护作用机制,最终成功实现了基于银纳米线电极的高灵敏度柔性压力传感器应用。在高透过率下,银纳米线导电网络面电阻迅速上升,且面电阻对于纳米线间搭接点处的接触电阻尤为敏感。在110°C、无搅拌的条件下,通过多元醇法可以得到平均长度为89.5μm的长纳米线,有效减少了导电通路中接触点数量,并据此提出了温度和搅拌速度对产物形态的影响机制。在长银纳米线的基础上,通过洗涤前处理方式有效减薄了纳米线表面有机物包覆层,降低了搭接点处的接触电阻,成功制得无需后处理、适应于多种基板的高性能银纳米线墨水,所制备电极在透过率为90%时,面电阻为15.57Ω/sq;透过率为95%时,面电阻为92.97Ω/sq。在空气中长期光辐照后,银纳米线网络显微形貌上出现直径70nm以上的大纳米颗粒和直径30nm以下的小纳米颗粒,在表面等离子体激元共振效应引起电场重新分布的作用下,许多纳米线间接触点处均有大颗粒存在,而小颗粒多分布于五棱柱纳米线棱上。小颗粒的不断增多使纳米线产生质量损失,持续对面电阻造成不利影响;而初期大颗粒的形成有助于增加线间接触面积,降低接触电阻,但当颗粒继续长大时,银纳米线网络因迁移变细甚至断线,反而增加了电阻。由于不同透过率电极对接触点处电阻变化的敏感性不同,长期光辐照下面电阻的变化趋势同透过率有关。为提高银纳米线电极抗劣化可靠性,先后设计了疏水涂层、镀铂涂层、反向光刻原位防护层网络以及大豆分离蛋白(Soy protein isolate,SPI)基板自防护层四种高可靠性防护方案。硬脂酸、十八烷基三氯硅烷(Octadecyltrichlorosilane,OTS)两种疏水涂层均有效提高了电极表面的疏水性,600h加速劣化后归一化面电阻值由3.80可降至1.02,镀覆于纳米线表面的镀铂层亦可使加速劣化后归一化面电阻值低至1.15,上述两类涂层有效提高了电极的抗劣化可靠性,但使电极透过率下降明显。利用反向光刻方式,原位制备了光刻胶防护层网络,透过率损失仅为1.9%,720h加速劣化后归一化面电阻值由5.52可降至1.72,由于光刻胶的疏水及光吸收性质,可使防护作用进一步增强。通过冷转印法制备了以SPI膜为基底的银纳米线电极,通过强光脉冲辐照(High intensity pulsed light,HIPL)处理,在降低面电阻的同时使纳米线埋入SPI膜中,实现了柔性基底的自防护作用。基于银纳米线电极,设计并制备了最大灵敏度为5.54×10-3Pa-1的电容式柔性压力传感器,压力作用时弹性介电中间层不仅厚度减小而且相对介电常数上升,使得传感器灵敏度提高。传感器在重复测试稳定性、器件柔性和对非接触式压力响应的性能方面也表现优异,可实现贴敷于人体的可穿戴式运动监测应用。