CN109607473B - 一种高效转移微纳米材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微纳米复合材料制备相关技术领域，并公开了一种高效转移微纳米材料的方法，包括：在辅助衬底表面上均匀涂覆微纳米材料，同时在聚合物弹性体的表面形成易挥发溶剂；将弹性体贴合至辅助衬底，使得两者贴合且微纳米材料被充分包裹于易挥发溶剂中；将复合体浸入低温溶液中，使得微纳米材料分散嵌入至凝固的易挥发溶剂，然后将辅助衬底与弹性体分离；将弹性体贴合至目标表面执行溶化和挥发，然后取下所述弹性体。通过本发明，能够实现大量纳米微米材料与目标表面无法兼容的制备，同时能够具备其在目标衬底上与辅助衬底上同样的物理和化学性质，该方法在纳米微米材料制备中具有高效率、大面积、无污染以及操作简便等优势。

Description

一种高效转移微纳米材料的方法
技术领域
本发明属于微纳米复合材料制备相关技术领域，更具体地，涉及一种高效转移微纳米材料的方法。
背景技术
随着现代电子与光电子器件的功能化与集成化需求的日益增加，基于溶液法制备电子和光电子器件(如弹性体、太阳能电池、有机发光二级管以及三维物体表面等)各功能层具有高效率、大面积以及低成本的优势，目前也成为各类器件制备的重要方法。然而在这些目标表面制备纳米微米材料的过程中，通常面临分散着纳米微米材料的中溶剂对目标表面的溶解、化学反应、无法后处理以及无法兼容制备等技术问题，并极大地限制了各类电子器件和光电子器件的发展。
为解决上述技术问题，现有技术中主要采取用喷涂的方法在目标表面沉积纳米微米材料的方案，但同样面临着诸如溶剂会造成各类影响、以及难于执行后处理工艺等不足。此外，也提出了通过牺牲层转移纳米线、或者通过层压转移微纳米材料的方案，但进一步研究表明，其同样面临溶剂的影响以及效率低、转移不完全等缺陷。相应地，本领域亟需对此作出进一步的改善和改进，以便符合现代化电子和光电子器件对微纳米材料大批量转移的应用需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高效转移微纳米材料的方法，其中通过预制辅助衬底和弹性体来获得将微纳米颗粒充分包裹在溶剂中的复合体，然后同时利用微纳米颗粒可在低温工况下嵌入凝固后的溶剂、溶解后的溶剂与弹性体表面作用力下降等多种作用机理，相应不仅可有效解决大批量微纳米材料与目标表面无法兼容的问题，而且避免了现有技术中溶剂易对目标表面造成溶解或反应的现象，同时具备便于操控、适于大面积制备、转移效率高、无污染等特点，因而尤其适用于在亲和能低、目标表面本身弯曲复杂等条件下的电子和光电子器件应用场合。
相应地，按照本发明，提供了一种高效转移微纳米材料的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(i)在平整干净的辅助衬底表面上，均匀涂覆微纳米材料，并根据工况需要对该微纳米材料实现功能化处理；与此同时，在聚合物弹性体的表面上进行亲水处理，然后在其表面均匀形成一定量的易挥发溶剂；
(ii)将表面形成有易挥发溶剂的所述聚合物弹性体贴合至表面涂覆有微纳米材料的所述辅助衬底，并借助于易挥发溶剂自身的流动性使得两者完全贴合且微纳米材料被充分包裹于易挥发溶剂中，由此获得辅助衬底及弹性体复合体；
(iii)将步骤(ii)所获得的辅助衬底及弹性体复合体完全浸入液氮、液氮与乙醇的混合物、干冰与乙醇的混合物、正辛烷与干冰的混合物或者其他类似的低温溶液中，所述辅助衬底及弹性体复合体中的易挥发溶剂在低温下将快速凝固，且使得微纳米材料分散嵌入至凝固的易挥发溶剂；此时，借助于所述辅助衬底和弹性体在低温冰冻作用下与凝固的易挥发性溶剂之间的作用力差异，使得所述辅助衬底与所述弹性体分离；
(iv)将所述弹性体贴合至目标表面，此时该弹性体表面上的凝固的易挥发性溶剂将溶化和挥发，同时分散嵌入的微纳米材料则转移到目标表面，然后取下所述弹性体，由此完成整个的高效转移微纳米材料的过程。
作为进一步优选地，在步骤(i)中，所述辅助衬底的材质选自玻璃或硅片等刚性衬底，或者选自铝箔、对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)等柔性衬底；所述聚合物弹性体的材质选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)、降解塑料(Ecoflex)、嵌段共聚物(SEBS)、聚氨酯(PUA)或其他类似材料。
作为进一步优选地，在步骤(i)中，所述易挥发溶剂优选选自下列物质：水、乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、乙醚、石油醚、正己烷、二氯甲烷或者三氯甲烷等。
作为进一步优选地，在步骤(i)中，所述微纳米材料可以是纳米材料、微纳材料或者两者的复合，并且其形态呈颗粒、线条、带状或片状等。
作为进一步优选地，在步骤(i)中，所述功能化处理包括退火、表面处理、包裹或其他类似操作。
作为进一步优选地，在步骤(i)中，优选采取旋涂、蘸取或滴涂的方式来将所述易挥发溶剂均匀形成于所述聚合物弹性体的表面上。
作为进一步优选地，在步骤(iii)中，所述辅助衬底与所述弹性体分离优选为自动分离；或者在该弹性体边缘拉起一定缝隙以使得所述低温溶液进入，同时在该弹性体上施加一定的拉力来促进分离。
作为进一步优选地，在步骤(iv)中，所述目标表面优选为弯曲复杂或亲和能低的目标表面。
作为进一步优选地，在步骤(iv)中，所述挥发优选为常温下挥发；或者采用加热和通风来加速挥发。
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、本发明通过引入辅助衬底且在它的上面完成微纳米材料的涂覆及功能化处理等操作，能够有完全克服直接在目标表面执行这类操作而造成的各类不利影响，与此同时作为配合，通过引入聚合物弹性体且在其上形成易挥发溶剂，能够有效避免目前诸多电子及光电子器件制备过程中用于分散微纳米材料的溶剂对目标表面的溶解、化学反应等现象；
2、在整个工艺过程中，本发明还进一步利用了微纳米颗粒可在低温工况下分散嵌入凝固后的溶剂、溶解后的溶剂与弹性体表面作用力下降等多种作用机理，相应能够有效解决大批量微纳米材料与目标表面无法兼容的问题，并避免了转移不完全造成微纳米材料结构破坏的情况，有助于改善最终获得的力热光电等特性；
3、较多的实际测试表明，本发明的转移方法能够兼容大面积制备，同时操作简便，易于实现纳米微米材料在主动领域广泛的应用，同时具备无污染、可避免使用表面活性剂等特点；此外，其可在亲和能低、弯曲复杂的目标表面(如试管、竹叶)制备纳米微米材料，相应拓展了电子和光电子器件的应用场景。
附图说明
图1是按照本发明所构建的高效转移微纳米材料的工艺流程示意图；
图2是具体显示高效转移微纳米材料的场景示意图；
图3是用于示范性显示在液氮条件下，利用PDMS弹性体实现ZnO纳米线网络完整转移的示意图；
图4是用于示范性显示在液氮条件下，利用PDMS弹性体实现Ag纳米线完整转移的示意图；
图5是用于示范性显示在液氮条件下，利用Ecoflex弹性体实现Ag纳米线完整转移的示意图；
图6是用于示范性显示在液氮/乙醇混合盐条件下，利用Ecoflex弹性体实现Au纳米颗粒完整转移的示意图。
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，以下结合附图和多个实施例，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是按照本发明所构建的高效转移微纳米材料的工艺流程示意图，图2是具体显示高效转移微纳米材料的场景示意图。如图1和图2所示，本发明提出了一种适用于大面积、大批量的高效转移微纳米材料的方法。下面将对其进行具体解释说明。
首先，是辅助衬底上涂覆微纳米材料、以及弹性体上形成易挥发溶剂的步骤。
具体而言，可在譬如玻璃、硅片、铝箔、对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)之类材质形成的平整干净的辅助衬底表面上，均匀涂覆微纳米材料。该微纳米材料可以是纳米材料、微纳材料或者两者的复合，并且其形态呈颗粒、线条、带状或片状等。接着，直接在该辅助衬底上根据工况需要对该微纳米材料实现功能化处理，譬如包括退火、表面处理、包裹或其他类似物理操作等。
与此同时，在选自聚二甲基硅氧烷(PDMS)、降解塑料(Ecoflex)、嵌段共聚物(SEBS)、聚氨酯(PUA)或其他类似材料的聚合物弹性体的表面上进行亲水处理，然后在其表面均匀形成一定量的易挥发溶剂。此易挥发溶剂优选选自下列物质：水、乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、乙醚、石油醚、正己烷、二氯甲烷或者三氯甲烷等，具体类型不做要求，市面上的各类无毒、低毒的极性和非极性溶剂即可。
接着，是辅助衬底及弹性体复合体的制备步骤。
将表面形成有易挥发溶剂的所述聚合物弹性体贴合至表面涂覆有微纳米材料的所述辅助衬底，并借助于易挥发溶剂自身的流动性使得两者完全贴合且微纳米材料被充分包裹于易挥发溶剂中，由此获得辅助衬底及弹性体复合体。
接着，是低温凝固和分离操作步骤。
将以上所获得的辅助衬底及弹性体复合体完全浸入液氮、液氮与乙醇的混合物、干冰与乙醇的混合物、正辛烷与干冰的混合物或者其他类似的低温溶液中，所述辅助衬底及弹性体复合体中的易挥发溶剂在低温下将快速凝固，且使得微纳米材料分散嵌入至凝固的易挥发溶剂；此时，借助于所述辅助衬底和弹性体在低温冰冻作用下与凝固的易挥发性溶剂之间的作用力差异，使得所述辅助衬底与所述弹性体分离。
在此过程中，所述平整光滑衬底需要注意衬底的使用温度，以避免在浸入低温溶液过程中而碎裂。复合体放入低温溶液时，需要注意操作的安全性，防止液氮冻伤。
最后，是微纳米材料的转移步骤。
将所述弹性体贴合至目标表面，此时该弹性体表面上的凝固的易挥发性溶剂将溶化和挥发，同时分散嵌入的微纳米材料则转移到目标表面，然后取下所述弹性体，由此完成整个的高效转移微纳米材料的过程。
在此过程中，溶化过程需要避免溶液对目标表面或者目标表面上功能层的溶解或化学反应。此外，移走弹性体的操作需要迅速在溶液挥发完毕之前完成，避免纳米微米材料无法完全转移
下面将通过多个实施例更为具体地解释说明本发明。
实施例1
参看图3，在PET表面涂覆一定量用水分散的ZnO纳米线，然后用聚合的PDMS蘸取一定量的乙醇，并完全贴合在涂覆了ZnO的PET表面；进而放入液氮中，待PDMS在液氮中完全与PET分离，取出待水挥发完全，进而完成可拉伸紫外光电探测器的制备。
实施例2
参看图4，在玻璃表面涂覆一定量用乙醇分散的银纳米线逾渗网络，然后在150℃加热台上热处理十分钟，或采用水雾焊接工艺，然在用聚合的PDMS表面滴涂一定量的水，并完全贴合在银纳米线导电网络的玻璃表面；进而放入液氮中，待PDMS在液氮中完全与玻璃分离，取出并迅速将PDMS放置在圆柱形试管外壁上，实现复杂三维物体表面的电极制备。
实施例3
参看图5，在PI表面涂覆一定量用乙醇分散的银纳米线逾渗网络，然后在150℃加热台上热处理十分钟，或采用水雾焊接工艺焊接，然在用聚合的Ecoflex表面滴涂一定量的乙醇，并完全贴合在银纳米线导电网络的PI表面；进而放入液氮/乙醇混合液中，待Ecoflex完全与PI分离，取出待液氮/乙醇混合液挥发完全，可实现银纳米线网络转移到Ecoflex表面，在银纳米线网络两端施加焦耳热，即可实现可拉伸的透明电热器制备。
实施例4
参看图6，在PET表面涂覆一定量用水分散的金纳米颗粒，然在用聚合的Ecoflex表面滴涂一定量的水，并完全贴合在金纳米颗粒的PET表面；进而放入液氮中，待Ecoflex完全与PET分离，取出并迅速将其放置在PE表面，实现金纳米线颗粒在柔软PE衬底上的制备。
综上，本发明能够实现大量纳米微米材料与目标表面无法兼容的制备，同时能够具备其在目标衬底上与辅助衬底上同样的物理和化学性质，该方法在纳米微米材料制备中具有高效率、大面积、无污染以及操作简便等优势。
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 (9)

1.一种高效转移微纳米材料的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(i)在平整干净的辅助衬底表面上，均匀涂覆微纳米材料，并根据工况需要对该微纳米材料实现功能化处理；与此同时，在聚合物弹性体的表面上进行亲水处理，然后在其表面均匀形成一定量的易挥发溶剂；
(ii)将表面形成有易挥发溶剂的所述聚合物弹性体贴合至表面涂覆有微纳米材料的所述辅助衬底，并借助于易挥发溶剂自身的流动性使得两者完全贴合且微纳米材料被充分包裹于易挥发溶剂中，由此获得辅助衬底及弹性体复合体；
(iii)将步骤(ii)所获得的辅助衬底及弹性体复合体完全浸入液氮、液氮与乙醇的混合物、干冰与乙醇的混合物或者正辛烷与干冰的混合物中，所述辅助衬底及弹性体复合体中的易挥发溶剂在低温下将快速凝固，且使得微纳米材料分散嵌入至凝固的易挥发溶剂；此时，借助于所述辅助衬底和弹性体在低温冰冻作用下与凝固的易挥发性溶剂之间的作用力差异，使得所述辅助衬底与所述弹性体分离；
(iv)将所述弹性体贴合至目标表面，此时该弹性体表面上的凝固的易挥发性溶剂将溶化和挥发，同时分散嵌入的微纳米材料则转移到目标表面，然后取下所述弹性体，由此完成整个的高效转移微纳米材料的过程。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(i)中，所述辅助衬底的材质选自玻璃、硅片、铝箔、对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯或者聚酰亚胺；所述聚合物弹性体的材质选自聚二甲基硅氧烷、降解塑料、嵌段共聚物或者聚氨酯。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(i)中，所述易挥发溶剂选自下列物质：水、乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、乙醚、石油醚、正己烷、二氯甲烷或者三氯甲烷。
4.如权利要求1-2任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤(i)中，所述微纳米材料是纳米材料、微纳材料或者两者的复合，并且其形态呈颗粒、线条、带状或片状。
5.如权利要求1-2任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤(i)中，所述功能化处理包括退火、表面处理或者包裹。
6.如权利要求1-2任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤(i)中，采取旋涂、蘸取或滴涂的方式来将所述易挥发溶剂均匀形成于所述聚合物弹性体的表面上。
7.如权利要求1-2任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤(iii)中，所述辅助衬底与所述弹性体分离为自动分离；或者在该弹性体边缘拉起一定缝隙以使得所述低温溶液进入，同时在该弹性体上施加一定的拉力来促进分离。
8.如权利要求1-2任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤(iv)中，所述目标表面为弯曲复杂或亲和能低的目标表面。
9.如权利要求1-2任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤(iv)中，所述挥发为常温下挥发；或者采用加热和通风来加速挥发。
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