CN109920603B - 一种提高银纳米线透明导电膜导电性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高银纳米线透明导电膜导电性的装置及方法，其中，所述装置包括：控制器，飞秒激光器、聚焦光路、三维运动平台和衬底，所述控制器分别与所述飞秒激光器和所述三维运动平台连接，所述聚焦光路包括光闸、衰减片、反光镜、光阑和透镜，依次设置于所述飞秒激光器和所述三维运动平台之间。本发明所述装置采用的提高银纳米线透明导电膜导电性的方法，有效地降低了银纳米线的结电阻，提高了银纳米线透明导电膜的导电性，同时能避免对银纳米线薄膜及柔性衬底造成损伤，并且本方法易于保持银纳米线透明导电膜的透光性，工艺简单，成本低廉，适用于工业生产。

Description

一种提高银纳米线透明导电膜导电性的装置及方法

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，特别涉及一种提高银纳米线透明导电膜导电性的装置及方法。

背景技术

透明导电薄膜是一种既能导电又具有高透过性的材料，是触摸屏、太阳能电池、显示器、透明加热器等新兴科技产品中不可或缺的元件。目前，市场中广泛应用的透明导电膜为兼具高光学透过率和低方块电阻的氧化铟锡(ITO)薄膜。然而，柔性化和可折叠是未来电子产品的发展趋势，而ITO薄膜由于其脆性和易断裂的缺点，难以满足下一代柔性电子产品的需求。相比于ITO薄膜，银纳米线透明导电膜既具有高光学透过率和低方块电阻的特点，又具有更好的柔性和可拉伸性能，有望成为ITO理想的替代材料。

银纳米线有效导电的前提是纳米线之间必须互相连接在一起，由于旋涂的纳米线只是靠自身重力或液体挥发所产生的毛细力相互搭接在一起，线与线只有微弱的连接，所以纳米线节点处的电阻远大于纳米线本身的电阻。银纳米线导电薄膜的方块电阻主要来源于纳米线之间的结电阻，因此降低银纳米线导电薄膜的方块电阻的关键是降低银纳米线结电阻。

目前降低银纳米线结电阻的方法主要有热处理、卤化物焊接或机械应力的方法，但是热处理法易损坏不耐高温的柔性衬底或银纳米线晶体结构；卤化物焊接法在提高薄膜导电性的同时会降低薄膜的光透过率；机械应力法工艺较为复杂，并且因为压力不均容易破坏银纳米线。因此，探究一种既能提高银纳米线透明薄膜导电性，又不会对银纳米线薄膜及衬底造成损伤，且不降低薄膜光透过率的方法显得尤为重要。

发明内容

本发明提供了一种提高银纳米线透明导电膜导电性的装置及方法，其目的是为了给出一种工艺简单，成本低廉、适用于工业生产的既能提高银纳米线透明薄膜导电性，又不会对银纳米线薄膜及衬底造成损伤，且不降低薄膜光透过率的装置及方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种提高银纳米线透明导电膜导电性的装置，包括：控制器，飞秒激光器、聚焦光路、三维运动平台和衬底，所述控制器分别与所述飞秒激光器和所述三维运动平台连接，所述系统包括光闸、衰减片、反光镜、光阑和透镜，依次设置于所述飞秒激光器和所述三维运动平台之间。

其中，所述衬底的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺和聚二甲基硅氧烷中的任一种。

其中，所述飞秒激光器发出的激光为脉冲激光，重复频率为1～130kHz，脉宽为100～300fs，波长范围为400～1030nm。

其中，所述三维运动平台的移动速度为0.01～30mm/s。

其中，所述飞秒激光器、所述光闸和所述衰减片共线设置于第一直线上，所述光阑、所述透镜和所述三维运动平台共线设置于第二直线上，且所述第一直线和所述第二直线垂直并相交，所述反光镜设置在所述第一直线和所述第二直线的交点处，与所述第一直线和所述第二直线的夹角均为45度。

其中，所述透镜为平凸柱面透镜、双凸柱面透镜、平凸球面透镜或双凸球面透镜中的任一种，所述透镜的焦距为10～150mm。

本发明还提供了一种提高银纳米线透明导电膜导电性的方法，包括：

步骤1，将银纳米线分散在溶剂中形成银纳米线分散液，将所述银纳米线分散液均匀涂布在所述衬底表面，干燥后，得到银纳米线透明导电膜；

步骤2，将制备的所述银纳米线透明导电膜固定放置在所述三维运动平台上，所述控制器控制所述飞秒激光器发出激光并通过所述聚焦光路聚焦在所述银纳米线透明导电膜表面；

步骤3，通过所述控制器控制所述三维运动平台移动，使激光在所述银纳米线透明导电膜的表面扫描，扫描完成后，即得到导电性和电阻一致性提高的银纳米线透明导电薄膜。

其中，所述银纳米线的长度为10～400μm，直径为10～200nm。

本发明的上述方案有如下的有益效果：采用飞秒激光进行焊接，作为一种非接触的焊接方法，具有灵活快速的特点，能对透明导电膜中银纳米线之间搭接的节点进行激光焊接，有效地降低了银纳米线的结电阻，提高了银纳米线透明导电膜的导电性；同时，飞秒激光作为超短脉冲激光，热效应小，能避免对银纳米线薄膜及柔性衬底造成损伤；另外，飞秒激光对银纳米线的焊接不需要引入其他的焊料，不会对样品造成污染，易于保持银纳米线透明导电膜的透光性。本发明工艺简单，成本低廉，适用于工业生产，并且局部光热效应是以银纳米线为支撑，具有很大的可替代性，即同样的方法也适用于铜纳米线等其他金属纳米线。

附图说明

图1为本发明的银纳米线透明导电薄膜焊接光路示意图；

图2为本发明的银纳米线透明导电薄膜焊接前和焊接后的透光率对比图；

图3为本发明的银纳米线透明导电薄膜焊接前的表面微观图；

图4为本发明的银纳米线透明导电薄膜焊接后的表面微观图；

图5为本发明的银纳米线透明导电薄膜焊接后的侧视表面微观图。

【附图标记说明】

1-控制器；2-飞秒激光器；3-聚焦光路；301-光闸；302-衰减片；303-反光镜；304-光阑；305-透镜；4-三维运动平台；5-衬底。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明针对现有的技术不足，提供了一种提高银纳米线透明导电膜导电性的装置，包括：控制器1，飞秒激光器2、聚焦光路3、三维运动平台4和衬底5，所述控制器1分别与所述飞秒激光器2和所述三维运动平台4电连接，所述聚焦光路3包括光闸301、衰减片302、反光镜303、光阑304和透镜305，依次设置于所述飞秒激光器2和所述三维运动平台4之间；其中，所述衬底5的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺和聚二甲基硅氧烷中的任一种；其中，所述飞秒激光器2发出的激光为脉冲激光，重复频率为1～130kHz，脉宽为100～300fs，波长范围为400～1030nm；其中，所述三维运动平台4的移动速度为0.01～30mm/s。

本发明所述的提高银纳米线透明导电膜导电性的装置，衬底5上设置有银纳米线，呈网状分布在衬底5上，其中衬底5根据制作材料的特性呈柔性，控制器1与飞秒激光器2和三维运动平台4电连接，可控制飞秒激光器2，发出频率、脉宽和波长满足要求范围的脉冲激光，以及控制三维运动平台4的移动，使其移动速率满足焊接要求，飞秒激光器2发出的单侧激光，通过聚焦光路3，最后照射在银纳米线透明薄膜表面，使银纳米线受到激发，由于其表面等离激元特性，在银纳米线节点处产生场增强效应，软化银纳米线表面晶格，实现节点处银纳米线间的焊接。其中，所述飞秒激光器2、所述光闸301和所述衰减片302共线设置于第一直线上，所述光阑304、所述透镜305和所述三维运动平台4共线设置于第二直线上，且所述第一直线和所述第二直线垂直并相交，所述反光镜303设置在所述第一直线和所述第二直线的交点处，与所述第一直线和所述第二直线的夹角均为45度。其中，所述透镜305为平凸柱面透镜、双凸柱面透镜、平凸球面透镜或双凸球面透镜中的任一种，所述透镜305的焦距为10～150mm。

本发明所述的提高银纳米线透明导电膜导电性的装置，飞秒激光器2发出的激光，依次经过设置在同一直线上的光闸301和衰减片302，通过衰减片302的衰减后，呈45度射入反光镜303上，反光镜303将入射光线反射，反射光线与入射光线垂直并依次经过光阑304的限制和透镜305的聚焦，最终汇集在银纳米线透明薄膜待照射位置处。其中，透镜305可采用平凸柱面透镜、双凸柱面透镜、平凸球面透镜或双凸球面透镜中的任一种，均能较好地聚焦经过光阑后的激光，实现银纳米线间的焊接。在激光功率较大时可优先选用平凸柱面透镜或双凸柱面透镜聚焦激光，聚焦后的激光形成线条状光斑，可以增大单位时间内光斑的扫描面积，提高焊接效率。

本发明还提供了一种提高银纳米线透明导电膜导电性的方法，包括：步骤1，将银纳米线分散在溶剂中形成银纳米线分散液，将所述银纳米线分散液均匀涂布在所述衬底5表面，干燥后，得到银纳米线透明导电膜；步骤2，将制备的所述银纳米线透明导电膜固定放置在所述三维运动平台4上，所述控制器1控制所述飞秒激光器2发出激光并通过所述聚焦光路3聚焦在所述银纳米线透明导电膜表面；步骤3，通过所述控制器1控制所述三维运动平台4移动，使激光在所述银纳米线透明导电膜的表面扫描，扫描完成后，即得到导电性和电阻一致性提高的银纳米线透明导电薄膜。其中，所述银纳米线的长度为10～400μm，直径为10～200nm。

以下将通过具体的实施例对本发明提供的提高银纳米线透明导电膜导电性的方法作进一步阐释：

步骤1，选取聚对苯二甲酸乙二醇酯作为柔性的衬底5，对其进行亲水性处理后干燥；将银纳米线均匀分散在乙醇溶液中，配置得到浓度为3mg/mL的银纳米线分散液。采用旋涂的方式将银纳米线溶液均匀涂布在衬底5上，旋涂速度为1800r/min，干燥30s，获得银纳米线透明导电薄膜。

步骤2，将制备好的银纳米线透明导电薄膜置于三维运动平台4上，如图1所示，激光通过平凸柱透镜聚焦后照射在样品表面，使激光焦点距离样品表面1mm；由于光阑对激光光束的截取，照射在样品上的光斑长宽分别为4mm和1mm。

步骤3，控制器1控制三维运动平台4，使待加工样品与激光光束之间产生相对运动；激光光斑扫描运动轨迹为连续往复S型路径，扫描间距为3mm，平台的移动速度为10mm/s，单位时间内光斑的扫描面积为30mm²/s。扫描完成后，得到导电性提高的银纳米线透明导电薄膜。

以上通过具体实施例阐述了提高银纳米线透明导电膜导电性的方法，再分别在薄膜表面随机取8个点来测量银纳米线透明导电膜的方块电阻，计算其平均值，并且采用分光光度计测量银纳米线透明导电膜焊接前后的透光率，通过扫描电子显微观察银纳米线透明导电膜焊接前后的表面微观形貌并作对比。

如图2所示，激光焊接后，银纳米线透明导电薄膜的方块电阻从焊接之前的137Ω/sq下降到了焊接之后的16.5Ω/sq，且焊接后的透光率仍为91％，未出现明显变化。

图3所示为本实施例中银纳米线透明导电膜焊接前的表面微观形貌，可以观察到纳米线之间未发生焊接。

图4所示为银纳米线透明导电膜焊接后的表面形貌，从图中可看出节点处的银纳米线由原来的圆筒状变为扁平状，银纳米线之间出现融合，实现了银纳米线之间的焊接。

图5所示为银纳米线透明导电薄膜焊接后的侧视表面微观图，进一步说明了银纳米线之间实现良好相互连接，而且衬底5与银纳米线没有因为激光辐照而出现变形或熔断。

从以上的观察及测试结果可以看出本发明提供的提高银纳米线透明导电膜导电性的方法，既能提高银纳米线透明薄膜导电性，又不会对银纳米线薄膜及衬底5造成损伤，且不会降低薄膜光透过率；同时本方法通过一整套提高银纳米线透明导电膜导电性的装置实现，工艺简单，成本低廉，适用于工业生产，并且也同样适用于铜等其他金属纳米线。

以上所述是本发明的优选实施方式及具体实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种提高银纳米线透明导电膜导电性的方法，采用提高银纳米线透明导电膜导电性的装置，所述装置包括控制器，飞秒激光器、聚焦光路、三维运动平台和衬底，所述控制器分别与所述飞秒激光器和所述三维运动平台连接，所述聚焦光路包括光闸、衰减片、反光镜、光阑和透镜，依次设置于所述飞秒激光器和所述三维运动平台之间，其特征在于，所述方法步骤如下：

步骤1，将银纳米线分散在溶剂中形成银纳米线分散液，对所述衬底进行亲水性处理后干燥，再将所述银纳米线分散液均匀涂布在所述衬底表面，采用旋涂的方式，旋涂速度为1800r/min，干燥30s，得到银纳米线透明导电膜；

步骤2，将制备的所述银纳米线透明导电膜固定放置在所述三维运动平台上，所述控制器控制所述飞秒激光器发出激光并通过所述聚焦光路聚焦照射在所述银纳米线透明导电膜表面，使激光焦点距离样品表面1mm，光阑截取激光光束，使其照射在样品上的光斑长宽分别为4mm和1mm；

步骤3，通过所述控制器控制所述三维运动平台移动，使激光在所述银纳米线透明导电膜的表面扫描，激光光斑扫描运动轨迹为连续往复S型路径，扫描间距为3mm，平台的移动速度为10mm/s，单位时间内光斑的扫描面积为30mm²/s，扫描完成后，即得到导电性提高的银纳米线透明导电薄膜；

所述飞秒激光器发出的激光为脉冲激光，重复频率为1～130kHz，脉宽为100～300fs，波长范围为400～1030nm；

所述衬底为柔性衬底，材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯；

所述银纳米线的长度为10～400μm，直径为10～200nm。

2.根据权利要求1所述的提高银纳米线透明导电膜导电性的方法，其特征在于，所述飞秒激光器、所述光闸和所述衰减片共线设置于第一直线上，所述光阑、所述透镜和所述三维运动平台共线设置于第二直线上，且所述第一直线和所述第二直线垂直并相交，所述反光镜设置在所述第一直线和所述第二直线的交点处，与所述第一直线和所述第二直线的夹角均为45度。

3.根据权利要求2所述的提高银纳米线透明导电膜导电性的方法，其特征在于，所述透镜为平凸柱面透镜、双凸柱面透镜、平凸球面透镜或双凸球面透镜中的任一种，所述透镜的焦距为10～150mm。

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