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納米銀線是怎么煉成的?
2019年05月13日 發布 分類:粉體加工技術 點擊量:690
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隨著三星、華為等品牌的折疊手機問世,柔性透明導電薄膜和柔性透明導電材料的話題熱度已上升到了前所未有的地步。而在折疊手機商業化的道路上,有一種重要的材料不得不提,那就是擁有良好抗彎曲性、高透光性、高電子電導率和導熱性的一維結構的“納米銀線”。

為什么說它很重要?

納米銀線,是一種橫向最大限度為100nm,縱向沒有限制,長徑比>100的一維結構,可分散到水、乙醇等不同的溶劑中。一般來說,納米銀線長度越長,直徑越小,其透光度就越高、電阻越小。

它之所以會被認為是最具有發展前景的柔性透明導電薄膜材料之一,是由于傳統的透明導電材料-氧化銦(ITO)在應用時存在成本高、柔韌性差等問題,因此人們開始研究碳納米管、石墨烯、金屬網格、金屬納米線和導電聚合物等作為替代材料。

金屬銀線本身就具有電阻率低的特點,因此一直作為一種優良導體被廣泛應用與LED、IC封裝中。而當其變身納米尺寸時,不僅保留了原有的優點,而且還具備特有的表面與界面效應,其線徑遠小于可見光的入射波長,可以密集排列成超小的電路,增大集流面積,備受手機屏幕市場的青睞。同時,納米銀線的納米尺寸效應,也賦予了其優異的耐曲繞性,在應變作用下不易斷裂,完全滿足柔性器件的設計要求,成為替代傳統ITO最為理想的材料。

不同透明導電膜材料對比

納米銀線是怎么制備的?

目前,納米銀線的制備方法有很多,常見的有模版法、光還原法、晶種法、水熱法、微波法、多元醇法等。其中模板法需要預制模板,孔道的質量和數量決定得到的納米材料的質量和數量;電化學法污染環境,效率低;而多元醇法由于操作簡單,反應環境好,原料易得,受到了大多數人的青睞,因此得到了大量的研究。

納米銀線形成的本質,是PVP對各晶面選擇性吸附的結果。選擇性吸附導致晶體生長速度不同,使得晶體能夠各向異性生長成銀金屬一維線狀結構。

1.多元醇法

多元醇法是在高溫下,通過多元醇將納米銀還原,同時利用表面活性劑來防止膠體納米結構的團聚。Sun揭示納米銀線的生長機理,他們認為納米銀線的的生長關鍵在于PVP覆蓋作用從而形成了晶種,硝酸銀首先被還原成納米銀小顆粒,然后聚集成大顆粒,大顆粒形成直徑均勻的納米銀棒。形成的銀{100}平面通過與PVP分子中的氧原子或氮原子之間的化學作用而緊密覆蓋,同時PVP大分子與銀{100}平面的相互作用比銀{111}面更大,從而使得銀生長為納米銀線。

{100}面與銀{111}面

2.晶種法

Sun等人以銀或鉑為晶種,用乙二醇為溶劑和還原劑,PVP為分散劑,合成了長度50μm、直徑30~40 nm的AgNWs。該方法的關鍵步驟是用合適的速率向溶液中同時滴加硝酸銀和聚乙烯吡咯烷酮。由于PVP穩定劑的存在,PVP分子將覆蓋晶種的{100}晶面,而在{111}晶面僅覆蓋一部分,使得{111}晶面易吸附被還原的銀緩慢生長成納米銀線。

3.水熱法

Luo等通過水熱法合成AgNWs。反應過程中,溶液中的Cl-Ag+生成AgCl沉淀,水中的AgCl沉淀然后緩慢釋放低濃度的銀離子,游離的Ag+被葡萄糖還原成核,在水熱條件下,晶核逐漸長大,生長成納米銀線。

4.模板法

Cui等以DNA為模板,結合電化學還原,獲得了長6μm、直徑50 nm的AgNWs。在電化學還原過程中,AgNWs粒子聚集在DNA鏈,然后相互連接形成的納米銀線,可以通過改變DNA與銀離子活化時間、電解時間來納米銀線的形狀和尺寸,納米銀線的長度則通過DNA分子來控制。

5.濕化學法

Chen等通過濕化學法合成AgNWs。以水為溶劑,氧化亞銅(Cu2O)和作為還原劑和結構導向劑,溫度100℃,將AgNO3中的Ag+還原制備得到了長度幾十μm,直徑50~500 nm的納米銀線。其中AgNO3的濃度對AgNWs的形貌有影響,當AgNO3的濃度到0.05 mol/L,形成一個由AgNWs的二維網絡結構,且濃度越高,AgNWs的直徑越大。當AgNO3濃度大于0.2 mol/L,形成銀片。在這種方法中,Cu2O起到了還原的作用,同時也提供了AgNWs生長的基礎。

最后,由于納米銀線可以均勻地分散在甲醇、乙醇、異丙醇等各種易揮發的有機溶劑中,因此可以通過抽濾轉移法、邁耶棒法、旋涂法、滴落涂布法、浸漬涂布法、噴涂法、刷涂法等活的納米銀線柔性透明導電薄膜。

a:納米銀線分散液 b:邁耶棒法在PET上涂膜

備注銀線的形成對溫度極其敏感,當溫度過低時,銀離子無法被迅速還原為銀原子并“嫁接”到銀線最前端;當溫度過高時,過?;乖齙囊踴刮醇笆庇隤VP絡合,就已經互相聚集形成銀納米顆粒。而這些納米顆粒的尺寸(100~500nm)比銀線的線徑(11~30nm)大很多,會導致涂布過程中膜與膜之間存在很多的間隙,空氣中的水、氧氣會沿著這些縫隙緩慢地進入導電膜涂層中,造成銀離子地遷移以及銀線地氧化,嚴重影響到產品的質量。

結語

納米銀線作為最具潛力的ITO替代方案,若能解決其前期制約因素并充分發揮優勢,實現全面量產,那么基于納米銀線的柔性屏也將迎來前所未有的發展機遇。據公開資料,2020年可彎曲、可折疊的軟屏占比將有望達到60%以上,因此發展納米銀線有著重要意義。

粉體圈 作者:小榆

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