CN114885509B - 一种飞秒、纳秒激光制备图案化柔性传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞秒、纳秒激光制备图案化柔性传感器及其制备方法。制备方法包括以下步骤：1)混合聚二甲基硅氧烷(PDMS)单体和固化剂，旋涂制备透明柔性的PDMS基底；2)用氧气等离子体(Plasma)辐照PDMS基底；3)在基底上面旋涂银纳米线浆料；4)对银纳米线浆料施加压力；5)飞秒激光扫描PDMS基底上的银纳米线浆料；6)纳秒激光熔融、击飞多余银纳米线，绘制图案；7)旋涂PDMS，封装图案化银纳米线浆料。本发明提供的方法制备速度快，精度高。所制备的传感器质地柔软，具有优异的透光性能和可拉伸性能。
Description
技术领域
本发明属于电子器件应用研究领域，具体涉及一种飞秒、纳米激光制备图案化、高导电、高透光可拉伸柔性传感器及其制备方法。
背景技术
Ag纳米线网络具有优异的光学、电学和力学性能，广泛应用于柔性可拉伸电极中，在病情诊断、健康监测和体育运动等领域具有巨大的潜在应用价值。
但是当Ag纳米线厚度增大时，其导电性能提升，透光性能下降；当Ag纳米线厚度减小时，其导电性能下降，透光性能上升，Ag纳米线网络导电性能和透光性能存在着矛盾。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明目的在于提供一种飞秒、纳秒激光制备图案化柔性传感器的方法，所制备的传感器反应灵敏，具有高导电、高透光和可拉伸的特性。激光是一种重要的先进加工技术，激光中的飞秒激光具有脉冲宽度极短、峰值功率超高和能量可控等优点，其辐照诱导Ag纳米线时，可实现母材无损连接，最终制备的Ag纳米线网络形貌完好，保证了优异的电学性能。和飞秒激光相比，纳米激光的光斑较大(纳秒光斑直径约为50μm飞秒光斑直径约为10μm)，加工速度更快；其次纳秒激光具有热加工的优点，可以迅速将多余Ag纳米线烧蚀为肉眼无法分辨的微小颗粒(当微小颗粒直径小于5μm时，肉眼无法分辨)，从而增加薄膜的透光性能；飞秒激光和纳秒激光在微纳加工方面具有各自的优势。因此本发明采用飞秒激光辐照诱导Ag纳米线制备纳米线网络，采用纳秒激光烧蚀、熔融和击飞多余的Ag纳米线，对Ag纳米线网络进行图案化处理；采用柔性、高透光和高化学惰性的PDMS为基底；本发明将银纳米线、PDMS和飞秒激光、纳秒激光两种加工工艺有效结合，协同作用以制备获得高导电、高透光可拉伸的柔性传感器。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
本发明第一方面提供一种飞秒、纳秒激光制备图案化柔性传感器的方法，包括以下步骤：
1)混合PDMS单体和固化剂，制备透明柔性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底；
2)用氧气等离子体(Plasma)辐照PDMS基底；
3)在步骤2)的PDMS基底上面旋涂银纳米线浆料，并使浆料干燥；
4)在银纳米线浆料表面施加一定的压力；
5)飞秒激光扫描PDMS基底上的银纳米线浆料，连接银纳米线；
6)纳秒激光熔融并击飞多余银纳米线，绘制图案；
7)旋涂PDMS，封装互连后的银纳米线网络，防止银纳米材料发生氧化。
进一步，步骤1)中，PDMS和固化剂的重量比为15:1～20:1。
进一步，所述步骤3)中，旋涂Ag纳米线的速度为200～500rpm，旋涂时间为80～120s。
进一步，所述步骤4)中，施加的压力值为10～30N，施加的时间为5～10min。
进一步，所述步骤5)中，飞秒激光的扫描速度为1000-3000mm/s，激光功率为250～500mW。
进一步，所述步骤5)中，银纳米线直径为200～600nm，长度为50～100μm。
进一步，所述步骤6)中，纳秒激光的扫描速度为100-500mm/s，激光功率9～15W，激光频率20～50KHz，光斑直径50～100μm。
进一步，所述步骤7)中，旋涂PDMS的速度为500～700rpm，旋涂时间为80～120s。
本发明第二方面提供利用第一方面方法制备的柔性传感器。
本发明的有益效果如下：
1.通过使用了Plasma辐照，能够高效、牢固地将银纳米线附着于基底上；并结合飞秒激光的工艺方法，能够有效诱导连接银纳米线浆料；结合纳米激光的工艺方法，烧蚀、击飞Ag纳米线，高效完成图案化处理。
2.本发明将银纳米线、PDMS和飞秒激光、纳秒激光两种加工工艺有效结合，协同作用以制备获得性能优异的柔性传感器。
3.制备的柔性传感器具有优异的电学性能、透光性能和良好的可拉伸性。
附图说明
图1为本发明实施例中一种飞秒激光制备图案化、高导电、高透光可拉伸柔性传感器的制备流程图；
图2为本发明实施例一中制备的图案化Ag纳米线薄膜实物图；
图3为本发明实施例二中制备的图案化Ag纳米线薄膜实物图；
图4为本发明实施例二中制备柔性传感器的透光率曲线图；
以上各图中标号含义为：
1-固化剂，2-塑料杯，3-PDMS单体，4-反应塔，5-PDMS混合液，6-硅片，7-真空烘箱，8-氧气Plasma设备，9-银纳米线浆料，10-飞秒激光，11-干燥的银纳米线，12-纳米激光。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明，本发明的内容完全不限于此。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的一种激光制备图案化透明导电薄膜的方法具体包括以下步骤：
S1-1.用吸管将0.5mg的固化剂1移入装有7.5mg PDMS单体3的塑料杯2中，充分搅拌，使固化剂1和PDMS单体3充分混合(所述PDMS单体和固化剂均属于道康宁184PDMS胶)；
S1-2.将塑料杯2连同混合均匀的固化剂1和PDMS 3，置于反应塔4中，除去混合溶液中的气泡；
S1-3.将无气泡的PDMS混合液5旋涂至干净的硅片6上，设定硅片的旋转速度为500rpm，旋涂时间为120s；
S1-4.旋涂结束后，将涂覆PDMS混合液5的硅片6放入真空烘箱7。设定真空烘箱温度为100℃，烘烤时间为1h；
S2.烘烤结束后，将涂覆PDMS薄膜的硅片6放到氧气Plasma设备8中进行等离子体轰击，设定轰击功率为90W，轰击时间为80s；
S3.将10mg/ml的银纳米线浆料9旋涂至轰击后的PDMS薄膜上；设定PDMS旋转速度为100rpm，旋涂时间为20s；
S4.银纳米浆料干燥后，对其施加30N的压力，保持5min；
S5.飞秒激光10扫描所有的干燥银纳米线11，使所有银纳米线互连；扫描过程中，设定飞秒激光的扫描速度为1100mm/s，激光的脉冲频率为10KHz，激光的功率为250mW；
S6.纳秒激光扫描连接后的银纳米线，制备图案化的银纳米线网络，设定纳秒激光的扫描速度为200mm/s，激光功率为10W，激光频率为30KHz；
S7.采用旋涂的方式，用PDMS混合液5封装所有互连的图案化银纳米线网络，防止其发生氧化。设定旋转速度为500rpm，旋涂时间为20s。
图2为本实施例制备的柔性传感器实物图，从图中可以看出，飞秒激光扫描的区域Ag纳米线排布密集，纳秒激光扫描的区域未见明显Ag纳米线，透光性较好。
实施例2
如图1所示，本实施例提供的一种激光制备图案化透明导电薄膜的方法具体包括以下步骤：
S1-1.用吸管将0.6mg的固化剂1移入装有7.2mg PDMS单体3的塑料杯2中，充分搅拌，使固化剂1和PDMS单体3充分混合(所述PDMS单体和固化剂均属于道康宁184PDMS胶)；
S1-2.将塑料杯2连同混合均匀的固化剂1和PDMS 3，置于反应塔4中，除去混合溶液中的气泡；
S1-3.将无气泡的PDMS混合液5旋涂至干净的硅片6上，设定硅片的旋转速度为600rpm，旋涂时间为100s；
S1-4.旋涂结束后，将涂覆PDMS混合液5的硅片6放入真空烘箱7。设定真空烘箱温度为100℃，烘烤时间为1h；
S2.烘烤结束后，将涂覆PDMS薄膜的硅片6放到氧气Plasma设备8中进行等离子体轰击，设定轰击功率为80W，轰击时间为100s；
S3.将10mg/ml的银纳米线浆料9旋涂至轰击后的PDMS薄膜上；设定PDMS旋转速度为90rpm，旋涂时间为25s；
S4.银纳米浆料干燥后，对其施加10N的压力，保持10min；
S5.飞秒激光10扫描所有的干燥银纳米线11，使所有银纳米线互连；扫描过程中，设定飞秒激光的扫描速度为2000mm/s，激光的脉冲频率为20KHz，激光的功率为300mW；
S6.纳秒激光扫描连接后的银纳米线，制备图案化的银纳米线网络，设定纳秒激光的扫描速度为300mm/s，激光功率为12W，激光频率为35KHz；
S7.采用旋涂的方式，用PDMS混合液5封装所有互连的图案化银纳米线网络，防止其发生氧化。设定旋转速度为600rpm，旋涂时间为15s。
图3为本实施例制备的柔性传感器实物图，和图2具有相同特点，即飞秒激光扫描的区域Ag纳米线排布密集，纳秒激光扫描的区域未见明显Ag纳米线，透光性较好。
图4为本实施例所制备的图案化柔性传感器和无图案柔性传感器的透光率曲线图，在780nm的光波条件下，图案化柔性传感器的透光率(83.85％)是无图案柔性传感器透光率(32.27％)的2.6倍。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的一种激光制备图案化透明导电薄膜的方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。
Claims (9)
1.一种飞秒、纳秒激光制备图案化柔性传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)按照重量比混合PDMS单体和固化剂，旋涂制备透明柔性的PDMS基底；
2)用氧气等离子体辐照PDMS基底；
3)在步骤2)的PDMS基底上旋涂银纳米线浆料，并使浆料干燥；
4)在银纳米线浆料上施加压力；
5)飞秒激光扫描PDMS基底上的银纳米线浆料，连接银纳米线；
6)纳秒激光熔融并击飞多余银纳米线，绘制图案；
7)旋涂PDMS，封装连接后的银纳米线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，PDMS单体和固化剂的重量比为15:1～20:1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中，旋涂Ag纳米线的速度为200～500rpm，旋涂时间为80～120s。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中，施加的压力值为10～30N，施加的时间为5～10min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5)中，飞秒激光的扫描速度为1000-3000mm/s，激光功率为250～500mW。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤5)中，银纳米线直径为200～600nm，长度为50～100μm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤6)中，纳秒激光的扫描速度为100-500mm/s，激光功率9～15W，激光频率20～50KHz，光斑直径50～100μm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤7)中，旋涂PDMS的速度为500～700rpm，旋涂时间为80～120s。
9.一种飞秒、纳秒激光制备图案化柔性传感器，其特征在于：采用权利要求1-8任一项所述的方法制备。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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