CN106399980B - 一种利用激光直写技术在柔性基体上制备高粘结强度银电极的方法 - Google Patents

一种利用激光直写技术在柔性基体上制备高粘结强度银电极的方法 Download PDF

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Abstract

一种利用激光直写技术在柔性基体上制备高粘结强度银电极的方法，属于银电极的制备技术领域。选用硝酸银、柠檬酸三钠和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)制备出银浆前驱液。然后将银浆前驱液旋涂于塑料基体上。放入烘箱中烘干。选用纳米激光器作为激光光源配合二维电动平台用于原位还原制备银电极。将激光束从塑料背面入射聚焦于塑料与银浆前驱液接触界面处进行扫描制备很高的粘结强度银电极。本发明方法简单快捷，一步完成银纳米材料的原位还原与烧结。无需复杂的化学处理、昂贵的设备以及繁琐的工艺过程。该方法制备的银电极可用于柔性显示、微纳传感制备等各个领域，将有很好的实际应用前景。

Description

一种利用激光直写技术在柔性基体上制备高粘结强度银电极 的方法
技术领域
本发明涉及一种银浆前驱液的配制以及一种激光直写技术。特别涉及一种柔性基体上激光原位还原制备银电极的方法，属于银电极的制备技术领域。
背景技术
随着电子技术的发展，人们对柔性器件的需求越来越大。主要是因为硅基传统器件往往是脆性的，在弯曲和拉伸等条件下容易发生断裂。相对于传统的电子器件，柔性电子器件最显著的特点就是具有柔性可弯曲拉伸的特点。由于具有该特点所以能满足一些特殊设备对形变的要求。比如柔性储能器件、柔性传感器、电子皮肤。以传统硅材料为基体的电子器件如果能实现柔性化将极大程度的拓展电子器件的应用领域。并且将改变人类未来的生活方式，比如近几年发展起来的可穿戴设备。另一方面微电子器件将更加以人为中心，也必将朝着智能化便携化发展。这也必然要求微电子器件和产品是柔性的并能适应各种非平面环境下的使用。因此，柔性加工与制备技术将是微电子技术发展的方向之一。
传统的丝网印刷、光化学法、电子束刻蚀和电子束离子束扫描等方法存在柔性化程度低，制造工序多，制作周期长，精度低，加工误差大，电镀腐蚀等对环境污染大，成本高等不足。为了实现柔性基体高精度上微纳结构与器件的制备。国内外研究人员着力于激光直写技术的研究。相比传统方法，激光直写加工精度高。激光直写可以实现高精度定位。由于其精度主要取决于激光光斑大小，而激光光斑可以聚焦到微米量级。从而其加工精度可以达到微米量级。同时激光直写技术成本较低。相比丝网印刷和光化学法而言，无需制备模板，无需特殊气氛保护。其设备成本比电子束离子束低很多。同时由于是加成法制备，所以能节省材料降低污染。激光光束不会造成类似电子束离子束一样的负面效应。并且激光直写适用的范围广。可以用于高分子材料、半导体材料、金属材料和陶瓷材料等的加工制备。目前已经发展起来的主要有激光化学气相沉积、激光诱导液相化学镀和激光诱导固相反应沉积等方式。利用该技术已经可以实现在无掩膜条件下自由沉积制备线宽很窄的微纳结构。已经不同材料的加工与制备，比如金、银、铜和铝等。现有的激光直写技术研究将注意力主要放在如何减少线宽增加其导电性，而忽略了其粘附强度的问题。所以目前激光直写制备的结构与基体连接强度比较低。该不足也限制了激光直写技术在实际应用的推广。
针对该问题，本发明公开一种银浆前驱液的配制以及一种激光直写技术，特别涉及一种柔性基体上激光原位还原制备高粘结强度银电极的方法。本发明公开的银浆前驱液制备方法简单快捷，无需加热等条件。所使用激光直写技术能一步完成银纳米材料的原位还原与烧结。无需复杂的化学处理、昂贵的设备以及繁琐的工艺过程。该方法制备的银电极可用于柔性显示、微纳传感制备等各个领域，将有很好的实际应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单快捷的银浆前驱液制备配方进而利用激光原位还原制备银电极的方法。省略现有的激光直写电极需要提前合成制备相应纳米颗粒或者纳米线等纳米材料的步骤。并且解决现有激光直写所获得的电极与基体粘结强度不高的问题。提供一种柔性基体上利用激光在塑料基体背面进行扫描一步完成银纳米材料的原位还原与烧结的激光直写制备电极的方法。
本发明目的通过如下措施来达到的，其具体工艺流程包括以下步骤：
(1)首先将硝酸银、柠檬酸三钠和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)制备成银浆前驱液；
(2)将选用的塑料基体清洗烘干后放入等离子清洗仪中进行表面清洗处理；
(3)之后将所制备的银浆前驱液旋涂于需要制备银电极的步骤(2)的塑料基体的正面上，放入烘箱中加热烘干(优选50℃)。
(4)采用纳米激光(优选405-808纳米激光)在塑料基体背面进行扫描制备银电极，使纳米激光从塑料背面入射聚焦于塑料基体与银浆前驱液接触界面处进行扫描制备银电极，完成所需电极直写后用去离子水清洗掉多余的银浆即可获得所需银电极。
所述激光直写银浆前驱液中添加PVP，PVP含量百分含量为硝酸银质量的1％-30％，优选5-10％。硝酸银、柠檬酸三钠的摩尔比优选3:1。
所述的塑料基体可以是各种常用塑料基体，如PC、PI、PDMS、PMMA等塑料基体中的一种。
采用本发明方法，利用3M胶带进行粘附力测试，可承受至少五十次粘附测试。并且其具有良好的导电率及可弯曲性能。经过1500次弯曲测试后其电阻率只有5.2％的增加。本发明公开的银浆前驱液制备方法简单快捷。
与现有技术相比：
①本发明不需要合成制备银纳米颗粒或者纳米线等纳米材料银浆，只需简单配比混合，不需要加热、油浴、真空等条件就可制备出用于激光直写的银前驱溶液。
②同现有合成方法相比，本发明选用常规合成银纳米材料的硝酸银、柠檬酸三钠试剂的基础上加入了聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。
③同现有激光直写技术相比，本发明利用激光在塑料背面进行扫描制备银电极。
④同现有激光直写技术相比，首先本发明所制备银电极时能一步完成银纳米材料的原位还原与烧结。并且本发明在塑料基体上所制备的银电极与基体的粘结强度很高，同时具有操作简单、省时高效的优点。
附图说明
图1，激光直写装置示意图
图2，未添加PVP(a1)和添加PVP(b1)制备的电极清洗前照片；未添加PVP(a2)和添加PVP(b2)清洗后照片
图3，激光正面扫描(a)和激光背面扫描(b)对塑料基体损伤程度的SEM图片
图4，所制备银电极低倍(a)和高倍(b)SEM图片，XRD(c)图片，以及实物照片(d)
图5，3M胶带粘附50次后电极实物照片(a)及弯曲测试电阻变化结果(b)
图6，所制备电极用于柔性显示效果图。a)正常状态下LED点亮效果图，b)弯曲状态下LED点亮效果图
具体实施方式
首先有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例1：激光直写技术在PC柔性塑料基体上制备高粘结强度银电极
1)选取聚碳酸酯(PC)作为柔性基体。将0.3毫米厚PC薄膜切成5cm×5cm小片。放入去离子水中超声清洗表面。清洗完取出用压缩空气吹干放入200W等离子体清洗机中，设置氧气注入速率为20L/min。处理90秒后待用。
2)将3克柠檬酸三钠和250毫克PVP溶于100毫升去离子水中，另外将5.0克硝酸银溶于80毫升水中。将100毫升的柠檬酸三钠和PVP混合溶液至于磁力搅拌器上搅拌，此时将80毫升硝酸银溶液逐渐导入到混溶溶液中。继续搅拌一小时获得银浆前驱液。
3)之后将所制备的银浆前驱液旋涂于需要制备银电极的塑料柔性基体上。放入烘箱中加热至五十摄氏度直至烘干。
4)选用405纳米激光在按附图1所示将激光从塑料背面入射聚焦于塑料与银浆前驱液接触界面处进行扫描制备银电极。所选用激光为连续激光。激光功率为1W。
5)完成所需电极直写制备后用去离子水清洗掉多余的银浆即可获得所需银电极。
实施例2
具体步骤见实施例1，只是将250毫克PVP改为500毫克PVP，同样得到实施例1的效果。

Claims (5)

1.一种利用激光直写技术在柔性基体上制备高粘结强度银电极的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）首先将硝酸银、柠檬酸三钠和聚乙烯吡咯烷酮制备成银浆前驱液；
（2）将选用的塑料基体清洗烘干后放入等离子清洗仪中进行表面清洗处理；
（3）之后将所制备的银浆前驱液旋涂于需要制备银电极的步骤（2）的塑料基体的正面上，放入烘箱中加热烘干；
（4）采用纳米激光在塑料基体背面进行扫描制备银电极，使纳米激光从塑料背面入射聚焦于塑料基体与银浆前驱液接触界面处进行扫描制备银电极，完成所需电极直写后用去离子水清洗掉多余的银浆即可获得所需银电极。
2.按照权利要求1所述的一种利用激光直写技术在柔性基体上制备高粘结强度银电极的方法，其特征在于，聚乙烯吡咯烷酮为硝酸银质量的1%-30%。
3.按照权利要求1所述的一种利用激光直写技术在柔性基体上制备高粘结强度银电极的方法，其特征在于，聚乙烯吡咯烷酮为硝酸银质量的5-10%。
4.按照权利要求1所述的一种利用激光直写技术在柔性基体上制备高粘结强度银电极的方法，其特征在于，硝酸银、柠檬酸三钠的摩尔比为3:1。
5.按照权利要求1所述的一种利用激光直写技术在柔性基体上制备高粘结强度银电极的方法，其特征在于，塑料基体为PC、PI、PDMS、PMMA塑料基体中的一种。
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