CN105568270B - 一种银纳米线焊接液及焊接成膜方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种银纳米线焊接液及焊接成膜方法，其特征在于：焊接液是以银源和还原剂为溶质、以醇为溶剂的混合溶液；将银纳米线分散液涂覆在基底上，形成网络状银纳米线结构，使用焊接液浸泡或浸润基底，使构成网络状银纳米线结构的各银纳米线在相互叠加处发生反应，局部互溶，从而实现相互焊接。本发明具有降低银纳米线薄膜网络状结构方块电阻、提高稳定性的作用，同时也具有焊接位置的焊点小、精密度高，工艺简单和成本低廉的特性。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种基于化学法的银纳米线焊接液及焊接成膜方法。
背景技术
近来，一维材料由于独特的电、光、导热性能而受到广泛的关注，其中的银纳米线尤其受到重视。目前市场上广泛使用的透明导电薄膜材料为ITO导电薄膜，其制备过程中因为要使用稀有的铟导致价格居高不下。银纳米线被认为可用来替代传统的氧化铟锡(ITO)透明电极材料，其原因是用量低、价格便宜；同时也可以广泛的应用于各种透明导电材料，如太阳能电池、柔性触摸屏、可弯折LED等。
银纳米线在被制备成透明导电薄膜时，通常被涂覆成网络状形成桥架结构，但是由于较大的接触电阻导致银纳米线的导电效果和稳定性变差。
国内外学者认为，任何电系统都必须将电信号或能量从一个导体传向另外一个导体，而导体与导体连接处的电接触是造成电信号或是能量传递的主要障碍，这就是接触电阻。
接触电阻按原理分类主要为收缩电阻和膜电阻。
宏观上观看两个平整的物体相接触，即使由于加工物件表观上十分光滑平整，但是在微观上，两个物体相接触时，只有有限的真实接触，这是由于固体表面微观处凹凸不平。在国际上定义两接触组件间的接触实质上为两接触面的凹凸处在外力作用下形成的不连续斑点接触，这些少数能够导电的斑点被称为导电斑点。实验证实：即使两固体接触面接触压力达到10Mpa，实际接触面仅仅占名义面积的1％至2％，当电流通过两接触元件的接触表面时，收缩于导电斑点处，产生收缩电阻。因此，银纳米线网络状桥架结构的接触形式，很容易产生收缩电阻导致银纳米线薄膜的电阻增大。
固体界面一般都覆盖一层氧化膜或是其他膜，因此产生薄膜电阻。薄膜电阻一般包含粘着膜和晦暗膜。粘着膜是由氧分子和其他气体分子在接触表面上物理吸附形成的一种薄膜，在金属表面处很容易产生，但由于是和金属表面的物理结合，一般只能承载较小的接触压力，因此膜很容易破裂，其造成的接触电阻的影响也较小。但是在金属表面有另外一种晦暗膜，该膜不是气体分子在金属表面的物理吸附，而是气体分子和金属表面的原子共同占有电子，这种膜电阻率很高。银在空气中长期放置，会被空气中的氧气缓慢氧化，形成稳定的氧化膜，银纳米线的本质是银原子被通过控制诱导形成的一维线型结构材料，因此其化学性质和银相似，在长期使用过程中网络状桥架结构的接触处会由于氧化生成一层氧化膜导致电阻的升高，同时改变材料表面性质造成银纳米线的稳定性降低。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术的不足之处，提供一种银纳米线焊接液及焊接成膜的方法，旨在通过局部焊接银纳米线网络状桥架结构的方式，减小接触电阻、增加银纳米线稳定性。
本发明解决技术问题，采用如下技术方案：
本发明的银纳米线焊接液，是以银源和还原剂为溶质、以醇为溶剂的混合溶液；所述焊接液的pH值为1-5。
所述银源为硝酸银或醋酸银；所述还原剂为巯基乙酸、抗坏血酸和葡萄糖中的一种或任意两种的组合；所述醇溶剂为乙醇、甲醇或异丙醇。
在所述焊接液中银源浓度为1mmol/L～1mol/L，还原剂浓度为1mmol/L～1mol/L。
所述银纳米线焊接液的pH值通过浓硝酸和/或氢氧化钠粉体调节。所用浓硝酸的质量分数为65％，所用氢氧化钠的粉体为分析纯，质量分数为大于96％。
利用上述焊接液的银纳米线的焊接成膜方法，包括如下步骤：
(1)采用与所述焊接液相同的溶剂分散银纳米线，形成银纳米线分散液；将银纳米线分散液涂覆在基底上，形成网络状银纳米线结构；
(2)20～80℃下，使用所述焊接液浸泡或浸润所述基底20～180分钟，使构成网络状银纳米线结构的各银纳米线在相互叠加处发生反应，局部互溶，从而实现相互焊接；
(3)将基底在真空干燥箱中烘干，即在基底上完成银纳米线的焊接成膜。
其中，银纳米线可通过醇还原法制备，加入丙酮或乙酸乙酯沉降后离心筛分，再通过溶剂筛分。所述银纳米线的直径为1～1000nm，长度为1～1000微米。
所述基底为PET、PVC、硅片、玻璃或聚合物薄膜。
本发明的焊接原理是利用一维纳米线在形成网络状结构时相互叠加处的界面能量较高，利用同性质的化学反应液通过调节条件，在接触界面发生反应局部互溶达到一维材料相互焊接目的。
本发明的有益效果体现在：
1、本发明提供了一种银纳米线焊接液及焊接成膜方法，可以有效的焊接银纳米线网络状桥架结构，减少接触电阻，增加稳定性；同时焊接位置的焊点小、精密度高。
2、本发明银纳米线局部焊接的方法，相比较于扫描隧道显微镜和原子力显微镜以及由它们发展起来的各类探针焊接一维材料的方法，具有操作简单，成本低廉，易于工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1中银纳米线被焊接后焊点的TEM图。
图2为本发明实施例1中Si基底上被焊接的网络状银纳米线结构的SEM图。
图3为本发明实施例2中Si基底上没有焊接的网络状银纳米线的SEM图。
图4为本发明实施例1的被焊接样品和实施例2的没有焊接样品持续偏压测试方块电阻和时间的稳定性关系图。
图5为本发明实施例3中PET基底上被焊接的网络状银纳米线结构的SEM图。
图6为本发明实施例3的被焊接样品和实施例4的没有焊接样品持续偏压测试方块电阻和时间的稳定性关系图。
图7为本发明实施例5的被焊接样品和实施例6的没有焊接样品持续偏压测试方块电阻和时间的稳定性关系图。
具体实施方式
下面将给出实施例和附图来对本发明的技术方案做清晰的阐述说明。
实施例1
本实施例按如下步骤焊接银纳米线：
a、配制银纳米线焊接液
以乙醇为溶剂，分别配制浓度为10mmol/L的硝酸银溶液和浓度为5mmol/l的巯基乙酸溶液；
取10mL硝酸银溶液和10mL巯基乙酸溶液混合摇匀后，加入0.5mL质量分数为65％的浓硝酸和0.09g质量分数为96％的氢氧化钠粉体再次摇匀，测得其pH值为3.5，即获得银纳米线焊接液；
b、取50mL浓度为20mmol/L聚乙烯吡咯烷酮乙二醇溶液和30mL浓度为15mmol/L的硝酸银乙二醇溶液，加入溴化钾0.0096g，常温混合搅拌30分钟，然后保温170℃反应1.5h后取出反应液体。取10mL反应液加入10mL的去离子水，加入20mL的丙酮进行沉降，沉降1h后再6000rpm离心20分钟，取离心沉淀物加50mL乙醇摇匀后过2000目，取筛上物加入30mL乙醇再次离心，重复筛分离心操作2-3次后，取离心后沉淀物加入乙醇，配制成20mg/mL的银纳米线乙醇分散液；
c、取Si为基底，将银纳米线乙醇分散液旋涂于Si基底上，形成网络状银纳米线结构；
d、使用步骤a制备的银纳米线焊接液浸润Si基底，同时使Si基底温度在25℃保持20min，进行反应；
e、待反应完成后将基底Si放置于真空干燥箱中，在80℃保持90min烘干，得到附着于Si基底上被焊接成膜的银纳米线。
图1为本实施例中银纳米线被焊接后的TEM图，图2为本实施例中Si基底上被焊接的网络状银纳米线结构的扫描电子显微镜图，可以看出被焊接的银纳米线在形成网络状搭桥处有明显的凸起连接，且焊点小。通过测试得到被焊接银纳米线Si基底初始的方块电阻为25Ω/s。
实施例2
本实施例作为实施例1的对比实验，与实施例1的操作方式基本相同，但不进行焊接，只进行实施例1中的b、c、e三步，即取步骤b中制备的银纳米线乙醇分散液旋涂于Si基底上，再在真空干燥箱中80℃烘90min，得到附着于Si基底上的网络状银纳米线。图3为本实施例Si基底上没有焊接的网络状银纳米线结构的扫描电子显微镜图。
对比图1和图3，可以看出实施例1中被焊接的银纳米线在形成网络状搭桥处有明显的凸起连接，而实施例2形成的网络状银纳米线散乱的搭桥在一起，各纳米线之间明显没有任何连接。
通过持续偏压测量实施例1的被焊接样品和实施例2的没有焊接样品的方块电阻和时间的稳定性关系，结果如图4所示。可以看出被焊接样品初始的方块电阻为25Ω/sq，没有焊接样品的初始方块电阻为45Ω/sq，且没有焊接样品在50min时方块电阻急剧上升，而被焊接样品在保持至300min后方块电阻开始急剧上升，由此得出被焊接样品具有更高的稳定性和更低的方块电阻值。
实施例3
本实施例按如下步骤焊接银纳米线：
a、配制银纳米线焊接液
以异丙醇为溶剂，分别配制浓度为2.7mmol/L的硝酸银溶液和浓度为2mmol/L的抗坏血酸溶液；
取10mL硝酸银溶液和7.5mL抗坏血酸溶液混合摇匀后，加入0.5mL质量分数为65％的浓硝酸和0.09g质量分数为96％的氢氧化钠粉体再次摇匀，测得其pH值为3.5，即获得银纳米线焊接液；
b、取50mL浓度为20mmol/L聚乙烯吡咯烷酮乙二醇溶液和30mL浓度为15mmol/L的硝酸银乙二醇溶液，加入溴化钾0.0096g，常温混合搅拌30分钟，然后170℃保温反应1.5h后取出反应液体。取10mL反应液加入10mL的去离子水，加入20mL的丙酮进行沉降，沉降1h后再6000rpm离心20分钟，取离心沉淀物加50mL异丙醇摇匀后过2000目，取筛上物加入30mL异丙醇再次离心，重复筛分离心操作2-3次后，取离心后沉淀物加入异丙醇，配制成20mg/mL的银纳米线异丙醇分散液；
c、取PET为基底，将银纳米线异丙醇分散液旋涂于PET基底上，形成网络状银纳米线结构；
d、使用步骤a制备的银纳米线焊接液浸润PET基底，同时使PET基底温度在20℃保持1h，进行反应；
e、待反应完成后将PET基底放置于真空干燥箱中，在80℃保持90min烘干，得到附着于PET基底上被焊接成膜的银纳米线。
图5为本实施例中银纳米线被焊接后的SEM图。可以看出银纳米线被有效的焊接在一起。图6给出了本实施例被焊接样品持续偏压测试方块电阻和时间的稳定性关系图。可知被焊接样品的初始方块电阻为20Ω/s，通过测试持续的偏压确定其稳定时间为250min左右，然后方块电阻开始急剧上升。
实施例4
本实施例作为实施例3的对比实验，与实施例3的操作方式基本相同，但不进行焊接，只进行实施例3中的b、c、e三步，即取步骤b中制备的银纳米线异丙醇分散液旋涂于PET基底上，再在真空干燥箱中80℃烘90min，得到附着于PET基底上的网络状银纳米线。
图6给出了本实施例没有焊接样品持续偏压测试方块电阻和时间的稳定性关系图。可以看出没有焊接样品的初始方块电阻为36Ω/s，通过测试持续的偏压确定其稳定时间为40min左右，然后方块电阻开始急剧上升。通过对比实施例3和实施例4可知，被焊接的样品具有更高的稳定性和更低的方块电阻值。
实施例5
本实施例按如下步骤焊接银纳米线：
a、配制银纳米线焊接液
以甲醇为溶剂，分别配制浓度为0.9mol/L的醋酸银溶液和浓度为1.5mmol/L的葡萄糖溶液；
取0.5mL醋酸银溶液和20mL葡萄糖溶液混合摇匀后，加入0.5mL质量分数为65％的浓硝酸和0.022g质量分数为96％的氢氧化钠粉体再次摇匀，测得其pH值为4.7，即获得银纳米线焊接液；
b、取50mL浓度为20mmol/L聚乙烯吡咯烷酮乙二醇溶液和30mL浓度为15mmol/L的硝酸银乙二醇溶液，加入溴化钾0.0096g，常温混合搅拌30分钟，然后保温170℃反应1.5h后取出反应液体。取10mL反应液加入10mL的去离子水，加入20mL的丙酮进行沉降，沉降1h后再6000rpm离心20分钟，取离心沉淀物加50mL甲醇摇匀后过2000目，取筛上物加入30mL甲醇再次离心，重复筛分离心操作2-3次后，取离心后沉淀物加入甲醇，配制成20mg/mL的银纳米线甲醇分散液；
c、取PVC为基底，将银纳米线甲醇分散液旋涂于PVC基底上，形成网络状银纳米线结构；
d、使用步骤a制备的银纳米线焊接液浸润PVC基底，同时使PVC基底温度在20℃保持1h，进行反应；
e、待反应完成后将PVC基底放置于真空干燥箱中，在120℃保持150min烘干，得到附着于PVC基底上被焊接成膜的银纳米线。
图7给出了本实施例被焊接样品持续偏压测试方块电阻和时间的稳定性关系图。可知被焊接样品的初始方块电阻为25Ω/s，通过测试持续的偏压确定其稳定时间为225min左右，然后方块电阻开始急剧上升。
实施例6
本实施例作为实施例5的对比实验，与实施例5的操作方式基本相同，但不进行焊接，只进行实施例5中的b、c、e三步，即取步骤b中制备的银纳米线甲醇分散液旋涂于PVC基底上，再在真空干燥箱中120℃烘150min，得到附着于PVC基底上的网络状银纳米线。
图7给出了本实施例没有焊接样品持续偏压测试方块电阻和时间的稳定性关系图。可以看出没有焊接样品的初始方块电阻为48Ω/s，通过测试持续的偏压确定其稳定时间为40min左右，然后方块电阻开始急剧上升。通过对比实施例5和实施例6可知，被焊接的样品具有更高的稳定性和更低的方块电阻值。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (5)
1.一种银纳米线焊接液，其特征在于：所述焊接液是以银源和还原剂为溶质、以醇为溶剂的混合溶液；所述焊接液的pH值为1-5；
所述银源为硝酸银或醋酸银；所述还原剂为巯基乙酸、抗坏血酸和葡萄糖中的一种或任意两种的组合；醇溶剂为乙醇、甲醇或异丙醇。
2.根据权利要求1所述的银纳米线焊接液，其特征在于：在所述焊接液中银源浓度为1mmol/L～1mol/L，还原剂浓度为1mmol/L～1mol/L。
3.根据权利要求1所述的银纳米线焊接液，其特征在于：所述银纳米线焊接液的pH值通过浓硝酸和/或氢氧化钠粉体调节。
4.一种利用权利要求1所述焊接液的银纳米线的焊接成膜方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)采用与所述焊接液相同的溶剂分散银纳米线，形成银纳米线分散液；将银纳米线分散液涂覆在基底上，形成网络状银纳米线结构；
(2)20～80℃下，使用所述焊接液浸泡或浸润所述基底20～180分钟，使构成网络状银纳米线结构的各银纳米线在相互叠加处发生反应，局部互溶，从而实现相互焊接；
(3)将基底在真空干燥箱中烘干，即在基底上完成银纳米线的焊接成膜。
5.根据权利要求4所述的焊接成膜方法，其特征在于：所述银纳米线的直径为1～1000nm，长度为1～1000微米。
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