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银纳米材料的可控制备与其在印制电子中的应用

唐耀  
【摘要】:在现代科技的带动下,印制电路领域孕育出了一项全新的技术——印制电子。由于该技术可以将制备好的功能油墨直接打印在基板上形成所需的线路或器件,因此,较传统工艺而言,其具备极大的优势:操作方式更简便;灵活性更高;生产周期更短;资源及成本消耗更低;环境污染更小。虽然该技术目前只处于起步阶段,但是凭借其多方面的优势已经受到了人们的热捧,相信不久之后便会成为印制电路领域的一支生力军。正因为该技术尚不成熟,存在了诸多有待解决的问题,如:打印设备比较稀缺;导电油墨的制备流程太为繁琐;生产条件要求较为苛刻且产率较低;印制样品不均匀,成品率较低;烧结需求温度过高,易引起油墨中金属的氧化及影响基材的性质等。本文正是针对导电油墨制备及印刷过程中所遇到的一些主要问题开展了工作。以银纳米材料的液相制备作为研究的焦点,以能够大量产出用于制备纳米导电油墨或导电胶的单分散性银纳米材料为目的,以理论→试验→结果→总结→理论的循环递进方式为手段,尽量寻求一种简单、有效、低能耗、低成本的办法以解决这些问题,其主要内容如下:1)用乙二醇(EG)作溶剂、硝酸银(AgNO3)做前驱体、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作保护剂在160℃的环境下制备出了能够于室温下烧结的单分散性银纳米颗粒。其平均粒径约90 nm,呈现球状。因该纳米颗粒可以在Cl-的作用下实现对PVP的脱附作用,引发颗粒相互之间的自动团聚与熔合,使得整个结构导电性大幅度提高。而整个过程仅在室温下即可进行,因此是传统烧结的最佳取代方式。最后本文用此方法印制出了导电性相当于块状银16%的金属线路。2)在制备银纳米颗粒的过程中引入聚乙二醇(PEG)作为抑制剂,将其粒径成功地控制在了37 nm左右,极大提高了颗粒在溶液中的分散性。由于粒径更小、颗粒比表面能更大、更易形成紧密堆积,其在室温烧结中的表现更为出色。用其乙醇分散液印制的图样在室温烧结后能够达到相当于块状银40%的导电性,且图样与基板的附着性更好。3)通过液相法,以PVP为保护剂、AgNO3的EG溶液为前驱体,前期用HCl对晶种进行蚀刻与筛选,后期通过PEG加速反应进程,成功制备出了短轴约为40nm,长轴约为100 nm的椭球银纳米颗粒。因椭球颗粒依其各向异性的形貌,存在长程相互作用,在其分散液固化的过程中能够有效防止其被马兰哥尼对流带至液面边界形成环状沉积,可以很好地抑制咖啡环效应。用该椭球颗粒制备成导电油墨,可以直接印制出均匀整齐的图样,大大提高了印制效率,节约了印制成本。4)本文提出一种快捷、便利、低成本、高产出的银纳米线液相制备新方法,并成功制备出了单分散性的纳米线,其长度超过10μm,而直径仅为40 nm。银纳米线的一维结构完整,本身具有很好的导电性。用其印制的图样不经烧结即可达到块状银13%的导电率。室温烧结后其导电率更是可达块状银的41%。由于其制备过程简单、产率高、污染小可以很好地用于导电银浆的大规模生产,以满足市场需求。5)着力研究了各种因素,如温度、反应时间、还原剂、保护剂、分散体系等对银纳米结构的影响,最终制备出了了单分散性的银纳米立方材料。将其乙醇分散液印制在基片上的时候,发现该纳米立方容易发生自组装现象,形成更为紧密的2D超晶格结构,使印制的图样无论是致密性或是导电性都更为优秀,在制备导电油墨方面颇具潜力。本文为银纳米材料的形貌可控制备提供了多种途径的同时,也为银纳米导电油墨的制备提供了多样化选择。


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