CN106449390A - 降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的方法及装置 - Google Patents

降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的方法及装置，该方法首先将金属微米线和/或纳米线沉积在基片表面，然后采用溶剂润湿金属微米线和/或纳米线网络，接着进行烘干处理使溶剂挥发，最后重复润湿和烘干实现金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的降低。该装置包括将金属微米线和/或纳米线沉积在基片表面的沉积单元，对金属微米线和/或纳米线网络电极进行润湿处理的润湿单元，使微米线和/或纳米线网络电极表面溶剂挥发的烘干单元，用于在润湿单元和烘干单元间输送基片和金属微米线和/或纳米线网络电极的传送单元。本发明可大幅降低金属微米线和/或纳米线网络电极的电阻，具有快速、高效、低成本、无污染等优点。

Description

降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的方法及装置
技术领域
本发明属于微、纳米功能结构/材料的制备加工技术领域，更具体地，涉及一种快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的方法及装置。
背景技术
随着近年来纳米材料的可控生长技术快速发展，众多材料从微米尺度逐渐往纳米尺度发展，微纳米材料在当今诸多领域中的应用也越来越广泛，其中，一维或准一维的金属微米线和/或纳米线在透明薄膜电极上的应用具有巨大的潜力，关于金属微米线和/或纳米线的合成以及透明网络电极的制备工艺已经日趋成熟。相比于传统的氧化物透明导电电极，金属微米线和/或纳米线具有较高的导电性，纳米线网络具有高透过率及可用于柔性可拉伸器件等突出的优势，但是，由于金属微米线和/或纳米线合成过程中无法避免的有机物包覆，导致金属微米线和/或纳米线网络电极经过喷涂、接触式或非接触式印刷或滴涂等方式组装成透明网络后，往往都存在较大的节点接触电阻。
现有的降低该类电极电阻的方法主要有高温热处理法、机械压印法、等离子体处理法以及化学湿法刻蚀等方法，这些方法均需要耗费大量的能源或产生大量的化学污染物，尤其是化学法很难掌握好处理强度，极易造成金属微米线和/或纳米线的污染，清洗难度大。因此，开发快速、安全、低成本、无污染且高效的降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的方法，将成为该类新型透明电极日后大规模应用的关键技术。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的方法及装置，通过溶剂对金属微米线和/或纳米线网络电极先进行润湿处理、再挥发的方法，实现了快速、高效、低成本、无污染地大幅降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的目的，能有效提高下一代基于各类金属微米线和/或纳米线网络的透明电极品质，对于其在传感器、印刷太阳能电池以及显示照明等领域具有广泛应用前景。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的方法，包括如下步骤：
(1)将导电的金属微米线和/或纳米线沉积在基片表面以形成金属微米线和/或纳米线网络，所形成的金属微米线和/或纳米线网络有序或无序的分散排列在基片表面，且金属微米线和/或纳米线之间以及金属微米线和/或纳米线与基片表面部分接触，该金属微米线和/或纳米线网络与基片构成的整体为金属微米线和/或纳米线网络电极；
(2)采用易挥发性的液体溶剂使基片表面形成的金属微米线和/或纳米线网络润湿；
(3)对步骤(2)润湿的金属微米线和/或纳米线网络进行烘干处理，以使得金属微米线和/或纳米线网络中浸润的易挥发性的液体溶剂挥发；
(4)重复步骤(2)-(3)实现金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的降低。
本发明使用易挥发溶剂对金属微米线和/或纳米线网络电极(即金属微米线网络电极、金属纳米线网络电极或金属微米线和纳米线复合网络电极)进行润湿处理，再使溶剂挥发，利用溶剂的表面张力作用，在溶剂挥发过程中逐渐地增大金属微米线和/或纳米线间的接触面积和相互作用力，促进金属微米线和/或纳米线网络交叉点的融合，进而大大降低金属微米线和/或纳米线间的接触电阻，使得电极的电阻大幅度降低，本发明的方法不仅适用于金属微米线网络电极、金属纳米线网络电极，还适用于金属微米线和纳米线复合的网络电极。
作为进一步优选的，步骤(1)中的金属微米线和/或纳米线沉积方式为接触式或非接触式的印刷、喷涂、旋涂或滴涂方式。
作为进一步优选的，所述液体溶剂为水、乙醇、丙酮或氯仿；烘干处理时，水的加热温度为70℃～120℃，乙醇的加热温度为50℃～100℃，丙酮的加热温度为40℃～80℃，氯仿的加热温度为45℃～85℃。
作为进一步优选的，所述基片为与所用溶剂亲润性良好的表面平整的柔性或刚性基片。
作为进一步优选的，所述导电的金属微米线和/或纳米线为金属微米线和/或纳米线、半导体金属微米线和/或纳米线或碳微纳米管的一维或准一维的导体或半导体。
作为进一步优选的，所述步骤(2)中所采取的使金属微米线和/或纳米线网络润湿的方法为沉浸槽内直接浸泡、冷凝台冷凝、饱和水蒸汽室凝结、喷枪喷雾或超声雾化室喷雾；所述步骤(3)中所采取的使溶剂挥发的方法为自然晾干、鼓风吹干、热台加热烘干或红外辐射加热烘干。
作为进一步优选的，优选采用低温冷凝或常温超声雾化喷雾的方法润湿金属微米线和/或纳米线网络电极，其中，低温冷凝需在环境湿度下使金属微米线和/或纳米线网络电极降温至环境温度以下并保持5s以上时间，常温超声雾化喷雾处理时间不少于1s。
按照本发明的另一方面，提供了一种快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的装置，其特征在于，该装置包括沉积单元、润湿单元、烘干单元和传送单元，其中：
所述沉积单元用于将导电的金属微米线和/或纳米线沉积在基片表面以形成金属微米线和/或纳米线网络，进而制备金属微米线和/或纳米线网络电极；
所述润湿单元用于对金属微米线和/或纳米线网络电极进行润湿处理，使得溶剂均匀地分布在金属微米线和/或纳米线网络电极表面；
所述烘干单元用于加速金属微米线和/或纳米线网络电极表面溶剂的彻底挥发；
所述传送单元用于在润湿单元和烘干单元间传递输送基片和金属微米线和/或纳米线网络电极。
作为进一步优选的，所述润湿单元和烘干单元为多个，多个润湿单元和烘干单元交替组合后通过传送单元连接成多级处理装置。
作为进一步优选的，将所述传送单元设计为交替通过润湿处理单元和烘干单元的循环结构以构成循环处理装置。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明通过润湿+烘干的处理方式对金属微米线和/或纳米线网络电极进行简单处理，即可显著大幅的降低金属微米线和/或纳米线网络电极的电阻，具有处理方式简单高效、安全无污染、且成本低等优点。
2.本发明可直接采用水/水蒸气直接作为工作容积进行处理作业，并且采用纯水作为工作溶剂时效果最为显著，同时成本最为低廉，非常安全且环境友好，对金属微米线和/或纳米线网络电极处理后没有任何残留或污染，不需二次清洗。
3.通过本发明采用直接浸润和自然晾干处理即可得到比较好的降低电阻的效果，总体所需能耗与可以达到相似效果的物理或化学焊接技术相比极低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的方法的流程图；
图2为按照本发明实施例提供的方法处理前后的一片银纳米线透明导电电极的方阻变化数值直方图；
图3(a)和(b)分别为本发明实施例1提供的一种快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的装置的俯视图和主视图；
图4为本发明实施例2提供的另一种快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明实施例提供的一种快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的方法的流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：
(1)将导电金属微米线和/或纳米线通过印刷、喷涂、旋涂或滴涂等方式沉积在基片表面得到金属微米线和/或纳米线网络电极；
(2)通过浸没、冷凝或喷雾等方式用溶剂使基片表面的金属微米线和/或纳米线网络润湿；
(3)对步骤(2)润湿的基片表面的金属微米线和/或纳米线网络进行自然晾干、红外辐照、加热烘干或鼓风烘干处理，使得金属微米线和/或纳米线网络中浸润的溶剂挥发；
(4)重复步骤(2)和(3)实现金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的进一步降低。
优选地，本发明方法中使用的导电金属微米线和/或纳米线采用导电性良好的金属金、银、铜纳米线或合金纳米线，金属微米线和/或纳米线、半导体金属微米线和/或纳米线、碳微纳米管等一维或准一维的导体或半导体。
优选地，本发明方法中通过接触式或非接触式的印刷、喷涂、滴涂、或旋涂等方式，将导电纳米线沉积在基片表面形成网络，所形成的金属微米线和/或纳米线网络有序或无序的分散排列在基片表面，且金属微米线和/或纳米线之间以及金属微米线和/或纳米线与基片表面之间部分接触，即当为金属微米线网络时，金属微米线与金属微米线之间部分接触，以及金属微米线与基片表面之间部分接触；当为金属纳米线网络时，金属纳米线与金属纳米线之间部分接触，以及金属纳米线与基片表面之间部分接触；当为金属微米线和金属纳米线复合网络时，金属微米线与金属微米线之间部分接触，金属纳米线与金属纳米线之间部分接触，金属微米线与金属纳米线之间部分接触，金属微米线与基片表面之间部分接触，以及金属纳米线与基片表面之间部分接触。进一步优选地，本发明方法中所述的基片为与溶剂亲润良好的表面平整的柔性或刚性基片，根据不同应用，优选柔性基片为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PI(聚酰亚胺)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)以及PC(聚碳酸酯)等聚合物材料或柔性金属箔或不锈钢带；优选刚性基片为普通玻璃片、硅片、石英片或金属片等。
优选地，本发明方法中所选的溶剂采用水、乙醇、丙酮或氯仿等易挥发性液体，为达到最佳效果可选用纯水。进一步优选地，步骤(2)中所采取的使金属微米线和/或纳米线网络润湿的方法包括但不仅限于：沉浸槽内直接浸泡、冷凝台冷凝、饱和水蒸汽室凝结，喷枪喷雾或超声雾化室喷雾等方式，优选采用低温冷凝或常温超声雾化喷雾的方法来润湿金属微米线和/或纳米线网络电极，其可以最大程度的减小对原本网络结构的破坏，喷枪喷雾或直接浸润的方法更适用于大规模批量生产使用。其中，低温冷凝需要在环境湿度下使金属微米线和/或纳米线网络电极降温至环境温度以下并保持5s以上时间；超声雾化喷雾或其他常温处理方式处理时间不少于1s即可充分浸湿金属微米线和/或纳米线网络电极。
优选地，本发明方法步骤(3)中所采取的使溶剂挥发的方法包括但不仅限于：自然晾干，鼓风吹干，热台加热烘干、红外辐射加热烘干等方式，优选采用的挥发溶剂的方法为自然晾干，为达到更好效果，也可采用直接加热基片、鼓风烘干、红外辐射加热等方式加速溶剂挥发速度。进一步优选地，加热温度与溶剂种类有关，具体为水对应的温度为70℃～120℃；乙醇对应的温度为50℃～100℃；丙酮对应的温度为40℃～80℃；氯仿对应的温度为45℃～85℃。
按照本发明实施例提供的方法处理前后的一片银纳米线透明导电电极的方阻变化数值直方图如图2所示。本实施例中所选银纳米线长约100～200μm,直径约50～100nm，导电电极尺寸为1cm×1cm，基片为玻璃片，采用无接触式印刷方式制作银纳米线电极，工作溶剂为纯水，润湿方式为直接浸泡，烘干方式为自然晾干，平行进行三组相似的样品。从图2中可以看出，经过本发明的方法处理过的纳米线网络电极的电阻可有效的减小。
本发明还提供了一种快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的装置，通过该装置可以使金属微米线和/或纳米线网络电极的电阻快速降低，该装置具体包括沉积单元、润湿单元、烘干单元和传送单元，其中：
沉积单元用于将导电的金属微米线和/或纳米线沉积在基片表面以形成金属微米线和/或纳米线网络，进而制备金属微米线和/或纳米线网络电极；
润湿单元采用直接浸泡/蒸气浸润等方式对金属微米线和/或纳米线网络电极进行润湿处理，使得溶剂较为均匀地分布在金属微米线和/或纳米线网络电极表面。润湿单元按照给溶剂方法的不同，具体可表现为低温冷凝台、超声雾化室、饱和蒸汽室、喷淋室或水槽等形式。
烘干单元用于加速金属微米线和/或纳米线网络电极表面溶剂的彻底挥发。烘干单元按照挥发溶剂方法的不同，具体可为自然晾干平台、可控温加热台、红外辐射加热室或鼓风干燥室等形式。
传送单元用于在润湿单元和烘干单元间传递和输送金属微米线和/或纳米线网络电极及基片。
优选地，多个润湿单元和烘干单元可以通过传送单元交替连接构成多级处理装置。优选地，一个润湿单元和一个烘干单元或多个交替的润湿单元与烘干单元的组合，通过传送单元可以构成循环结构以实现循环处理装置。
以下为具体实施例：
实施例1
本实施例提供了一种快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的装置，其结构示意图如图3所示，该装置包括传送单元301、沉积单元302、两个润湿单元303和两个烘干单元304。
传送单元301连通装置中的其他单元，将基片从起始位置送至金属微米线和/或纳米线沉积单元302中进行沉积，通过接触式或非接触式印刷、喷涂或旋涂的方式，将导电纳米线沉积在基片表面形成网络，然后继续将表面沉积了金属微米线和/或纳米线网络电极的基片送入润湿单元303中对金属微米线和/或纳米线网络电极进行润湿，最后再通过烘干单元304对溶剂进行烘干；经过一轮“润湿-烘干”处理后，传送单元301可以继续通过至少一组润湿单元302和烘干单元303的组合来实现金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的进一步降低。
实施例2
本实施例提供了另一种快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的装置，其结构示意图如图4所示，该装置包括传送单元401、沉积单元402、两个润湿单元403、两个烘干单元404以及两个方向可控的传送子单元405。
传送单元401连通装置中的所有其他单元，将基片从起始位置送至金属微米线和/或纳米线沉积单元402中进行沉积，通过接触式或非接触式印刷、喷涂或旋涂的方式，将导电纳米线沉积在基片表面形成网络，然后继续将表面沉积了金属微米线和/或纳米线网络电极的基片送入润湿单元403中对金属微米线和/或纳米线网络电极进行润湿，再通过烘干单元404对溶剂进行烘干；经过一轮“润湿-烘干”处理后，传送单元401将基片和电极送至方向可控传送子单元405，按照所需的“润湿-烘干”处理次数，来调节可控传送子单元405的传送运输方向，继续通过任意次数的润湿单元403和烘干单元404的组合来实现次数任意可调(≥1次)的“润湿-烘干”处理，使得金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的进一步降低，进而满足不同的生产需要。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将导电的金属微米线和/或纳米线沉积在基片表面以形成金属微米线和/或纳米线网络，所形成的金属微米线和/或纳米线网络有序或无序的分散排列在基片表面，且金属微米线和/或纳米线之间以及金属微米线和/或纳米线与基片表面部分接触，该金属微米线和/或纳米线网络与基片构成的整体为金属微米线和/或纳米线网络电极；
(2)采用易挥发性的液体溶剂使基片表面形成的金属微米线和/或纳米线网络润湿；
(3)对步骤(2)润湿的金属微米线和/或纳米线网络进行烘干处理，以使得金属微米线和/或纳米线网络中浸润的易挥发性的液体溶剂挥发；
(4)重复步骤(2)-(3)实现金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的降低。
2.如权利要求1所述的快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的方法，其特征在于，步骤(1)中的金属微米线和/或纳米线沉积方式为接触式或非接触式的印刷、喷涂、旋涂或滴涂方式。
3.如权利要求1或2所述的快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的方法，所述液体溶剂为水、乙醇、丙酮或氯仿；烘干处理时，水的加热温度为70℃～120℃，乙醇的加热温度为50℃～100℃，丙酮的加热温度为40℃～80℃，氯仿的加热温度为45℃～85℃。
4.如权利要求3所述的快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的方法，其特征在于，所述基片为与所用溶剂亲润性良好的表面平整的柔性或刚性基片。
5.如权利要求4所述的快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的方法，其特征在于，所述导电的金属微米线和/或纳米线为金属微米线和/或纳米线、半导体金属微米线和/或纳米线或碳微纳米管的一维或准一维的导体或半导体。
6.如权利要求5所述的快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的方法，其特征在于，所述步骤(2)中所采取的使金属微米线和/或纳米线网络润湿的方法为沉浸槽内直接浸泡、冷凝台冷凝、饱和水蒸汽室凝结、喷枪喷雾或超声雾化室喷雾；所述步骤(3)中所采取的使溶剂挥发的方法为自然晾干、鼓风吹干、热台加热烘干或红外辐射加热烘干。
7.如权利要求1-6任一项所述的快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻的方法，其特征在于，优选采用低温冷凝或常温超声雾化喷雾的方法润湿金属微米线和/或纳米线网络电极，其中，低温冷凝需在环境湿度下使金属微米线和/或纳米线网络电极降温至环境温度以下并保持5s以上时间，常温超声雾化喷雾处理时间不少于1s。
8.一种用于实现如权利要求1-7任一项所述的快速降低金属微米线和/或纳米线网络电极电阻方法的装置，其特征在于，该装置包括沉积单元、润湿单元、烘干单元和传送单元，其中：
所述沉积单元用于将导电的金属微米线和/或纳米线沉积在基片表面以形成金属微米线和/或纳米线网络，进而制备金属微米线和/或纳米线网络电极；
所述润湿单元用于对金属微米线和/或纳米线网络电极进行润湿处理，使得溶剂均匀地分布在金属微米线和/或纳米线网络电极表面；
所述烘干单元用于加速金属微米线和/或纳米线网络电极表面溶剂的彻底挥发；
所述传送单元用于在润湿单元和烘干单元间传递输送基片和金属微米线和/或纳米线网络电极。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述润湿单元和烘干单元为多个，多个润湿单元和烘干单元交替组合后通过传送单元连接成多级处理装置。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，将所述传送单元设计为交替通过润湿处理单元和烘干单元的循环结构以构成循环处理装置。
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