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北科大王東瑞教授課題組《ACS AMI》：墨水直寫打印線寬50 μm、超高電導(dǎo)率的銀納米線圖案化電極
2023-02-22  來源：高分子科技

  以納米材料為原材料，通過“自下而上”的方式構(gòu)筑多層級(jí)結(jié)構(gòu)有序的結(jié)構(gòu)材料、功能器件，對(duì)于變革材料、器件的傳統(tǒng)制造模式有著深遠(yuǎn)的影響。在微電子制造領(lǐng)域，傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷、光刻等技術(shù)在加工柔性電子器件方面暴露出步驟繁瑣、耗時(shí)久、成本高、一體化制造難等不足。墨水直寫（DIW）是一種簡(jiǎn)單、獨(dú)特的增材制造技術(shù)，可在室溫下將多種墨水?dāng)D出并沉積到任意幾何形狀的基材上，具有低成本、快速、可按需定制等特點(diǎn)。然而，將有著大長徑比的一維金屬納米線通過DIW技術(shù)制成具有高分辨率、高電導(dǎo)率的電極仍存在巨大的挑戰(zhàn)。


  近日，北京科技大學(xué)王東瑞課題組發(fā)展了一種綠色、簡(jiǎn)便、高通量的直寫打印兼具高分辨率、高電導(dǎo)率銀納米線（AgNWs）圖案化電極的方法。他們通過天然高分子海藻酸鈉調(diào)節(jié)銀納米線的流變特性，并結(jié)合計(jì)算機(jī)控制墨水?dāng)D出速率及打印速率，實(shí)現(xiàn)了高長徑比銀納米線（長徑比約730）在任意材質(zhì)2D基材表面的直寫打印。所得電極邊緣清晰，分辨率較高，線寬可低至50 μm。再利用氯化鈣溶液對(duì)打印的電極進(jìn)行快速的化學(xué)焊接處理，可大幅提升銀納米線電極的電導(dǎo)率和與基材的粘附力。他們還演示了一種基于該類銀納米線電極的功能器件 - 電粘附軟抓手。所得器件非常輕薄，質(zhì)量僅0.9 g，厚度僅312 μm，卻可在2 kV的激勵(lì)電壓下提起500 g的砝碼。 


圖1 銀納米線圖案化電極制備過程及相應(yīng)的樣品照片
 

圖2 直寫打印過程參數(shù)對(duì)銀納米線圖案的分辨率、電導(dǎo)率、取向有序度的調(diào)制

  通過控制墨水的流變性質(zhì)、打印參數(shù)（V*，Z*）以及墨水與基板的潤濕性，可以在任意基板上打印連續(xù)、高分辨率（線寬低至 50 μm）和具有高取向度（S > 0.8）的銀納米線電極。 


圖3 后處理過程對(duì)銀納米線電極的電導(dǎo)率、與基材粘附力提升顯著


  實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)直寫打印得到的銀納米線電極進(jìn)行快速的后處理，可顯著提升電極電導(dǎo)率，最高可達(dá)1.26 × 105 S/cm。膠帶剝離測(cè)試表明，后處理過程同時(shí)提升了打印電極與基板的粘附強(qiáng)度。 


圖4 打印在PI膜及彈性體基材上的銀納米線電極電阻穩(wěn)定特性


  基于上述方法制備得到的銀納米線電極在彎曲、拉伸應(yīng)變測(cè)試中表現(xiàn)優(yōu)異。 


圖5 基于直寫打印制備的銀納米線叉指電極用于電粘附軟抓手


  利用上述方法在PI膜上制造銀納米線叉指電極，再用硅橡膠封裝，構(gòu)建了一種具有電粘附性能的軟抓手（SEG）。在3 kV激勵(lì)電壓下、該SEG對(duì)金屬板的切向粘附力可高達(dá)15.5 kPa。該SEG可利用其電粘附特性，夾持不同材質(zhì)、不同形狀的物品，在智能軟機(jī)器方面有著重要的應(yīng)用潛力。


  相關(guān)研究成果近期發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces，論文通訊作者為北京科技大學(xué)化生學(xué)院王東瑞教授，第一作者為博士研究生孔祥一，研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c22885

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