脊加载微波处理装置及银纳米线透明电极研究

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从1947年世界上第一台微波炉诞生到现在,微波能作为一种高效、清洁的加热能源逐步走进人们的生活。微波能最初用来加热食物,到目前为止已经与化工、纺织、医疗、生物等领域相互交叉结合,衍生出多种新兴行业。但是利用微波能研究物质改性尤其是纳米材料处理时,微波辐射均匀性是不可忽视的因素。有实验表明微波对银纳米线透明电极的热退火具有改善其薄膜方阻的作用,实验装置由微波炉改装而成,但是微波炉自身的场随机分布和功率不可控等问题严重降低了实验可重复性,造成归纳分析结果的困难。本文针对上述问题,设计加工了一种微波处理装置,该装置将脊波导作为微波反应腔。通过进一步优化设计后实现了纳米材料的在线表征、测量等功能,利用测得的温度、电导率、吸收功率等条件,可以方便的分析材料状态并及时反馈给微波源做出相应调整。经优化后的脊波导反应腔获得了接近-30dB的S11并在1cm2的区域达到95%以上的均匀性。并且使用固态源模块和自制的控制装置实现了2.45GHz频率的功率可调输出,具备低功率(<10W)下0.1W调节精度和高功率(>60W)下5W的调节精度,促使微波效应研究兼具精细化、高效率、操控简单等特点。近年来,随着可穿戴电子和柔性屏幕等技术的成熟,银纳米线透明电极在柔性导电领域获得了极高的关注与应用,但是纳米线网络结点的电子传输速率极大的受线结接触面积、线间连接方式和纳米线氧化程度的影响。本文使用自行设计的微波纳米材料处理装置对银纳米线透明电极进行热退火处理,使薄层电阻最多降低了4个数量级,在93%(550nm处)的光学透过率下使样品方阻从1.62?105?/sq下降到46?/sq,通过扫描电子显微镜的观测结果证实了纳米线结在微波作用下实现了焊接。其原理是利用微波辐射在导电网络内部产生大小和方向不断变化的传导电流,在电子传输受阻碍的纳米线结处由于欧姆损耗而产生热量,当局域热效应达到焊接所需温度,使纳米线形成更可靠的连接。这种方法具有选择性加热和自限制性,在适当的功率密度下不损坏衬底,并且随着长时间的微波辐射不会破坏导电网络自身。为进一步探究银纳米线成膜质量和微波焊接的规律,本文通过调节旋涂速度、时间、分散液浓度等因素制备了不同厚度和均匀性的薄膜,发现没有被焊接的薄膜只有在很低的透过率(<70%)下具有相对高的品质因数。经过微波针灸焊接后,发现透光率高(85%94%)的薄膜的品质因数变得更好。总而言之,利用微波退火银纳米线透明电极是一种低温、高效、可控性强并且低成本的焊接方式,除此之外,微波在其他金属纳米线焊接、纳米器件连接等方面提供了新的策略,为微波效应研究从大尺寸加热到小型化精细化提供了一种方法。
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