基于银纳米线的简便高效焊接紫外线诱导纳米光热过程研究用于高性能的卷对卷制造透明导电膜外文翻译资料

 2022-02-15 22:08:29

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基于银纳米线的简便高效焊接紫外线诱导纳米光热过程研究用于高性能的卷对卷制造透明导电膜

摘要

目前来说，银纳米线的大面积溶液加工生产具有出色光电性能的透明导电薄膜机械性能仍然是一个挑战。这里，高效焊接使用紫外线A（UAV）和特定的基于纳米光热的波长范围从asymp;320到asymp;400纳米过程。银纳米线焊接显示出自终止和自限制性质和对活动直径的敏感性。板电阻uva照明（uvai）银纳米线薄膜在2分钟内迅速下降，没有损失透射率。对于银纳米线直径30纳米薄膜，减少薄板阻力接近三个数量级（asymp;105-102欧姆）保留原始透射率（97%），其中显著提高其光电性能。增强型机械灵活性、电磁干扰（EMI）屏蔽效能（SE），以及研究了银纳米线薄膜的加热性能。硒和银纳米线薄膜的平台温度在之后增加到25 dB和50°C分别照明。智能窗、透明加热器和摩擦电基于银纳米线薄膜的纳米发电机展示了其多功能性在光电领域的应用。最后，焊接方法简单易行集成到一个卷对卷的过程中，以低25欧姆的薄板电阻高透光率为90%，以及出色的灵活性。

关键词 纳米级光热过程，逐卷过程，银纳米线，透明导电薄膜，焊接。

  1. 绪论

柔性触摸等柔性光电器件的快速发展面板、柔性显示器、柔性太阳能电池、柔性发光二极管和电子皮肤[1-10]带来了巨大的各种领域的革命能量存储到社交网络[11-21]例如，灵活透明显示器应用于互联网物联网和增强现实（AR），可以实现三维直观和户和定制信息 [18]可拉伸有机发光二极管（OLED）启用可扩展和可折叠显示系统智能手机，可穿戴的电子服装，可滚动或可折叠墙纸，如灯，以及体内生物相容性光源或表皮医疗设备 [3,22-26]。

作为柔性光电器件的重要组成部分之一，柔性透明电极引起了相当大的注意。铟-氧化锡（ITO）是无处不在的透明物质。今天的电极由于其优良的性能导电率（10–20欧姆）高透明度（90%的透射率）[27]。易碎的陶瓷性质，缺乏铟，价格昂贵，以及复杂的制备过程（例如磁控溅射，电子束蒸发和化学气相沉积使ITO在柔性光电子学中的应用黯然失色。在过去的几年里，很多人都致力于开发几个有希望的候选人来取代ITO，给予对碳基纳米材料（石墨烯和碳纳米管（CNT），导电聚合物聚（3,4-乙基）烯二氧基噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS），和金属纳米线[27,28,32-36]石墨烯和碳纳米管低本征载流子浓度导致高片材电阻以及高接触电阻[37]。PEDOT:PSS显示由于其固有的低电阻，也具有高的片材电阻。电导率（sigma;dcasymp;10S cm）[38]。在上述材料中，纳米银线透明电极强调了替代纳米铟锡金属氧化物的潜力，因为它们在导电性和透明度、灵活性和溶液可处理性之间提供了一个折衷方案。

高性能活性银的大面积制备薄膜（例如，优异的光电性能和机械性能灵活性）对于纳米银线透明电极来说事实上，用广泛使用的柔性光电器件取代纳米铟锡金属氧化物，这仍然是一个需要解决的问题。纳米银线网络的片阻有很大的贡献，从接触电阻之间连接处的纳米线[27,28,35,39,40,44,48]残留的聚乙烯吡咯烷酮导致纳米银线之间接触不良。从而在接头处产生较大的接触电阻。这极大地降低了磁纳米银线的导电性。网络和降低其机械灵活性变形[27]。因此，焊接纳米银线以拧紧活动接触对于有效地提高光电性能和机械柔性纳米银线薄膜。在过去的十年里，各种战略设计用于焊接银钨，以提高银钨薄膜的光电性能和柔韧性，包括热加热，机械加压、毛细管力感应焊接、化学焊接和等离子焊接[2,27,35,36,41-48]加热机械冲压工艺会损坏一些装置的活性结构[35]用于毛细管力诱导焊接时，需要喷雾和蒸发薄雾。纳米银线网络的重复性，使板电阻有效地减少了[27]化学焊接需要额外的化学试剂，如硝酸银或四氯金酸为前体；葡萄糖或抗坏血酸作为氧化还原还原剂；以及PEDOT：PSS、二氧化钛或氧化石墨烯作为化学焊料。最近，各种光源（如卤钨灯，氙气闪光灯和激光）被用来触发等离子加热焊接纳米银线[35,47,48]。尽管如此，卤钨灯感应焊接采用特殊的照明装置和氮气气氛，这使得使用氙气闪光灯大量生产纳米银线薄膜变得复杂化。灯作为光源需要一个复杂的闪光灯。系统，可能需要精确调节放电闪光点火电压和脉冲持续时间优化焊接条件[47,49]聚焦点激光的特征光束严重阻碍了其在大尺度上的应用。因此，发现简便、高效、廉价的纳米银线焊接策略可以很容易地匹配处理过的连续大面积溶液生产高性能的纳米银线薄膜。这是众所周知的在紫外-可见光谱范围内，纳米银线的两个吸收峰通常出现在约350和380 nm处，这是由与体银膜相似的纳米银线等离子体共振分别采用了纳米银线的横向等离子体模式。考虑到活动吸收的入射光最终转化为热量[52,53]。所以大热量活动的产生可以围绕波长激发。350和380纳米。从发热的角度看对于纳米银线焊接，简单、廉价和兼容性随着可扩展的银钨薄膜生产，紫外线A（UVA）特定波长范围为asymp;320至asymp;400 nm时，完全覆盖了纳米银线的两个吸收峰一种最佳的焊接太阳活动 的光源。

在此，我们选择了一种普通的UVA灯作为光源，基于纳米级光热工艺，以银结为光源诱导焊接银钨。热，可以实现精确的时空控制在焊接过程中。焊接明显依赖于在纳米银线直径上，并随直径降低从30纳米（直径30）到45纳米（直径45）的纳米银线增加。至110纳米（直径110）。活动 的机制采用有限差分时域仿真方法对焊接过程进行了理论分析。在紫外线照射下，纳米银线薄膜的片材电阻急剧下降。在2分钟内，不降低透光率。对于UAV照明直径为30nm 的纳米银线胶片，片材电阻大约下降三个数量级（105- 102欧姆）原始高透光率（97%）。以此来看，这显著提高了胶片的光电性能（品质因数：asymp;0.1–110）。相比与原版银纳米线一起， 银纳米线展增强机械灵活性，电磁干扰屏蔽效能和加热性能。此外， 银纳米线薄膜被用于制造智能窗口、透明加热器、透明摩擦电纳米发电机，评价其多功能和实用性软性光电子学中的 银纳米线薄膜。UVA是最终应用于连续的大面积辊对辊用薄膜电阻25 欧姆，具有90%的透射率和极好的灵活性。

  1. 结果和讨论

图1示意性地介绍了UVA诱导的银纳米线焊接基于纳米光热过程。紫外线灯波长范围绝对在asymp;320至asymp;400纳米之间。覆盖了asymp;350和asymp;380纳米的银纳米线的两个吸收峰，可触发大量热量产生，实现高效焊接银纳米线的LED灯与如图1所示，在升降台上放置已制备好的银纳米线薄膜。发光二极管在照明前是暗的，当银纳米线胶片暴露在紫外线照射下时发出绿光，这意味着UVA下的活动纳米银线是焊接在一起的。此外，图像S1（支持信息）显示LED灯在紫外线照射下2分钟内变亮，然后保持恒定长时间UVA照明的亮度。这表明焊接过程几乎在2分钟内完成。

图1UVA诱导的AgNWs纳米级光热焊接的示意图

UVA诱导纳米级光热银纳米线焊接扫描电子显微镜和图2中的透射电子显微镜图像。图2a-c显示原始的活动 自然重叠。在活动 之间形成松散清晰的连接。这个透射电子显微镜图像（图2a-c中的插图）显示了原始的银纳米线连接的独特轮廓。照明后，直径为30纳米的纳米银线活动（图2d，g）相互融合在接合处形成变形边缘（图2d中插入）。表明焊接发生在紫外线照射下。对于直径为45纳米的银纳米线（图2e，h），熔合连接也可以观察到。然而，似乎是烈火相互弯曲而不是连接，这表明直径为45纳米的银纳米线接头处的弱于焊接关于直径为30纳米的银纳米线（图2d，e，g，h）。对于直径为110纳米的纳米银线如图2c，f所示，活动 的形态与原始纳米银线相似。弱或无焊接可能需要在照明后放置在较厚的直径为110银纳米线的接合处。UVA诱导的银纳米线焊接的进一步证据如图S1和S2（支持信息）所示。图s1a-c显示了原始的活动纳米银线松散地堆叠，并在顶部的活动和连接处的基板（用红色箭头表示），而uvai d30和d45活动纳米银线的间隙消失。无明显在直径为110纳米的银纳米线连接处观察到融合，并且差距仍然存在（图s1f，支持信息）。到获得定量的洞察力，我们测量熔合接头的高度和直径总和用原子力显微镜观察两个活动纳米银线（图S2，支持信息）。差别增加了从4和9纳米到12纳米，银纳米线直径减小从110纳米和45纳米到30纳米。这些观察表明使用UVA实现了银纳米线焊接并加强银纳米线直径减小。

图2 平面视图原始a）D30，b）D45和c）D110 AgNW的SEM图像。 图（a） - （c）中的插图分别显示了原始D30，D45和D110 AgNW结的平面TEM图像。 平面图观察UVAI d）D30，e）D45和f）D110 AgNW的SEM图像。 图（d） - （f）中的插图分别显示代表性UVAI D30，D45和D110 AgNW结的平面TEM图像。 倾斜视图UVAI g）D30，h）D45和i）D110 AgNW的SEM图像

银纳米线薄膜的片材电阻受到显著影响。通过在紫外线照射下焊接纳米线。图3A- C显示了作为UVA治疗时间。直径为30纳米、直径为45纳米和直径为110纳米的银纳米线薄膜在2分钟内迅速下降，然后在长时间的紫外线照射下达到高原（每种含六个不同初始片的样品UVA照明的电阻和透射率）。这表明焊接过程在2分钟内完成，并且因此，显示出一种自终止特性，这与在图像S1（支持信息）中演示了这一点。尽管板材阻力显著降低，银纳米线薄膜的透光率不受紫外线的影响。照明（图3d-f；图S3，支持信息），显著提高电影（图3g-i）。银纳米线薄膜的光电性能通常由光纤调试器演示，其定义为sigma;dc/sigma;opt，其中，sigma;dc和sigma;opt是薄膜和光学导电率（通常在波长处550 nm）。光纤调试器的值可以用式（1）[54]

（1）

其中t是550 nm处的透光率，rs是薄板阻力。光纤调试器值越高意味着越好光电特性。从图3d可以看出直径为30纳米的银纳米线薄膜的片材电阻减小接近三个数量级（asymp;105- 102欧姆）在UVA照明及其原始透射率因此，保持97%的光纤调试器数量值从asymp;0.1显著上升到asymp;110（最高光纤调试器值达到144；图3g）。此外，观察随着银纳米线直径从30、45纳米增加到110纳米（图3d-f；图S4，支持信息）与图2一致，以及图S1和图S2（支持信息），进一步证实了UVA诱导的银纳米线焊接减弱了银纳米线增厚。

图3 a）D30，b）D45和c）D110 AgNW薄膜的薄层电阻是UVA照射时间的函数。 图（a） - （c）中的样品1-6分别代表具有不同初始薄层电阻和透射率的D30，D45和D110 AgNW薄膜。 在UVA照射之前和之后d）D30，e）D45和f）D110 AgNW膜的薄层电阻和透射率。 在UVA照射之前和之后g）D30，h）D45和i）D110 AgNW薄膜的光电特性

UVA诱导的银纳米线纳米级光热焊接，利用时域有限差分法模拟了活动 中的热生成。在UVA照明期间。产生纳米尺度的间隙通过聚乙烯亚胺或两个活动纳米银线之间的自然接触累积在顶部活动中触发的局部表面等离子体与原子核之间的电磁耦合产生的有效光强。底部的等离子体，在这期间在极有限的间隙空间中感应电场（图S5，支持信息）。根据方程式（6）（时域有限差分法模拟，“实验段”），密集型间隙电场在间隙处产生集中的局部热量，被称为“热点”，用于在不造成大热量产生的情况下焊接银纳米线接头（图4）。 [35,47]在纳米级光热过程中，最上层的银钨作为一个纳米级的天线，可以有效地引导UVA光进入底部活动，以及包含相互作用的连接点顶部和底部的活动纳米银线系统是驱动热量产生的热量。[55]图4a-2显示了不同间隙下直径为45纳米银纳米线结处的光驱动间隙热量。入射光偏振垂直于顶尖的银纳米线。产生的热量有效地集中在连接处的纳米间隙，当两个活动纳米银线在接触前相互靠近。一旦两个银纳米线开始焊接（表示为5纳米的间隙尺寸如图4a-2，这意味着接合处的熔深为5纳米，由于接合处的间隙等离子体模式不再被激活，间隙热产生显著下降。随着焊接的进行，间隙热进一步降低，直到在接头处熔合银纳米线是不够的，因为基本上终止了焊接。热产生的自终止特性解释了为什么银纳米线薄膜在2分钟内迅速减少，然后保持在长时间的紫外线照射下保持不变（图3a-c）。同时避免了由于接头处过度熔合。此外，峰值强度间隙热沿着熔合缝向外移动但仅限于交界区的活动纳米银线（图4a-2）。确保其余的活动纳米银线是完整的，因此证明焊接的自限性。图4a-3将直径为30纳米的银纳米线结处的归一化热值绘制为间隙大小的函数。峰值出现在0纳米的间隙尺寸处，两个活动的纳米银线将要被焊接的地方（图4a-3）。此外，图4a-4显示了光驱动间隙热在不同直径的银纳米线接头处。差距随着银纳米线直径的增大，热量迅速上升30和45至110纳米，由于在较厚的活动纳米银线（图4a-4），与方程（5）（时域有限差分法模拟，“实验部分”）一致。事实上，焊接越弱，活动纳米银线越厚，如图2和3以及图S1和S2所示（支持信息）。考虑到更厚的烈火需要更多的热量，这意味着更高的熔化点随着银纳米线直径的增加

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