面向印刷电子应用的银基纳米材料制备及性能研究

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印刷电子技术作为一种灵活、快捷、环保的制造方法,已成为材料、电子、制造等行业共同关注的热点。目前,在功能性材料墨水研究领域,银基导电墨水以其优异的导电性,较强的化学惰性等优势,获得了广泛的关注。本文在银纳米颗粒墨水和银纳米线墨水的可控制备基础上,采用喷墨打印,滚涂,滴涂等多种泡孔形态及微观结构印刷涂覆方式在纸张、塑料等柔性基底上制备银导电图案,透明导电薄膜,透明加热薄膜,并研究了相应功能薄膜的光学、电学、机械和热稳定等特性。论文主要研究成果如下:  1.采用液相化学还原法制备了平均粒径为30 nm的银纳米颗粒,并制备了适合普通商用喷墨打印设备的银纳米颗粒墨水,讨论了墨水中银纳米颗粒的稳定机制,打印线宽、烧结温度等参数对银导电图案性能的影响,并进一步探索了室温化学烧结银纳米颗粒的可行性。结果表明:pH值为9的墨水中银纳米颗粒的稳定性最优;采用喷墨打印机在照片纸基底上打印的银导电图案,经150℃热处理10分钟,电阻率降低到为4.7μΩ□m;采用聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDAC)作为烧结助剂,实现了银纳米颗粒的室温化学烧结;并成功在塑料,纸张等柔性基底上制备了室温干燥的银导电图案。  2.采用多元醇法制备了银纳米颗粒、银纳米棒、银纳米线、银纳米立方体等银纳米晶,研究了酸碱度对银纳米晶形貌的影响;并采用密度梯度离心的方法制备了单分散的银纳米晶,研究了银纳米晶在表面增强拉曼光谱中的应用。结果表明:随着氢氧化钠加入量的增多,纳米晶的形貌由纳米线逐渐变为银纳米颗粒;随着硝酸加入量的增多,纳米晶的形貌由纳米线变为纳米线和纳米立方体的混合物;采用丙三醇和乙醇为密度梯度介质离心分离得到单分散的银纳米晶,分离出的银纳米颗粒和银纳米线具有不同的拉曼活性,其拉曼增强因子分别为3.5×105和1.2×104。  3.采用滴涂法制备了光学透过率高达90.2%的柔性聚酰亚胺(PI)基底,并在该透明基底上制备了由银纳米线(AgNW)和铝掺氧化锌(AZO)薄膜构成的AZO/AgNW/AZO三明治结构复合透明导电薄膜,并研究了复合薄膜的光学、电学、机械和热稳定特性。结果表明:品质因子最高的薄膜(6.0×10-3Ω-1),透过率为74.4%,方块电阻为8.6Ω/sq;该复合透明导电薄膜的表面粗糙度为7.28 nm。复合薄膜不仅具有良好的机械柔韧性,而且还具有较好的粘附力,经过3M胶带测试后复合薄膜表面几乎没发生变化;此外,该复合薄膜具有良好的热稳定性,在250℃烧结1小时的薄膜的电阻变化率小于10%。  4.采用滚涂银纳米线溶液和滴涂聚酰亚胺溶液的方法制备了银纳米线/聚酰亚胺透明加热薄膜,并研究了该薄膜的光电特性、热响应行为、机械和热稳定特性。结果表明:透明加热薄膜的表面粗糙度仅为0.4 nm;透明加热薄膜在输入电压为6V的稳态温度为96℃,响应时间小于40 s,功耗为160.6℃cm2□W-1;经过3M胶带测试后复合薄膜表面几乎没发生变化;湿热测试表明在苛刻的高温湿热环境,透明加热薄膜让保持良好的性能。  本文的研究为基于印刷电子技术的银基纳米材料的开发和应用提供了理论依据和实验指导,对银纳米颗粒和银纳米线等材料在光电器件中的应用也有一定的参考价值。
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