用于柔性电子器件的银纳米线导电薄膜的研究进展

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用于柔性电子器件的银纳米线导电薄膜的最新进展

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概括

银纳米线是一维纳米金属材料，由于其优异的导电性、透明性和柔韧性而受到广泛关注，特别是在柔性可拉伸电子领域。然而，由于微观不连续性，实际应用需要将银纳米线附着在某种支撑上。与制备方法相比，将AgNWs掺入柔性基质的方法特别令人感兴趣。近年来，发表了许多关于AgNW基导体制备的论文，包括印刷技术、涂层技术、真空过滤技术、模板辅助组装技术、静电纺丝技术和凝胶技术。本文旨在讨论AgNW基导电薄膜的不同组装方法及其优点。

前言

去年，全半导体产业因产能不足而面临巨大困难。影响芯片生产的因素有很多，其中之一就是由于COVID-19、日本瑞萨电气火灾等自然灾害以及美国德克萨斯州的大雪导致芯片运营暂停。聚氯乙烯（PVC）等各种芯片原材料价格也持续上涨，其中玻璃价格上涨40%，铜价上涨48%。

它还缺乏依赖先进制造工艺的先进芯片的生产能力。三星和台积电是唯一掌握7nm以下芯片制造工艺的公司，缺乏采用先进制造工艺的芯片生产能力。更先进制造工艺的开发和先进芯片的量产没有保障。

芯片短缺对全电子行业造成重大影响，导致CPU、显卡、电子设备等原材料短缺且价格大幅上涨。这也暴露出两个题目前，电子行业严重依赖传统电子材料。以硅基半导体为代表的传统电子材料制造技术正面临瓶颈。

因此，电子工业要实现快速发展，迫切需要新材料。近100年来，电子工业发展迅速[1-4]。电子领域的研究越来越深入[5-13]。如图1所示，Scopus中的电子文献和电子相关出版物正在快速增长。20世纪40年代以来，电子工业迅速发展。20世纪40年代，电子相关研究论文持续增加，达到1100多篇。

图1以电子工程为关键词的Scopus文献按年份检索结果，Scopus数据

最大的原因是电子材料的发展。以Si为代表的半导体材料促进了计算机的发展。硅片集成电路的发展对电子工业的发展影响最大。从1946年占地100多平方米的电子管计算机到可以单手握持的手机，它们都依赖于先进的集成电路制造工艺。1947年贝尔实验室发明了晶体管，电子行业达到了第一个里程碑。

1958年，集成电路被发明。此后，电子工业经历了新的爆发。因此，在整个20世纪60年代，电子学研究以3300的持续增长率呈指数增长。1964年，摩尔提出了摩尔定律，他预测芯片上的晶体管数量每18个月就会增加一倍[14]。

从早期的电子管到晶体管、小规模集成电路，再到现在的大规模集成电路，Si因其适宜的电性能、储量大、提纯工艺成熟、化学性质稳定等因素，似乎成为了合适的候选者。用于集成电路的天然材料。电子工业的发展依赖于硅基半导体材料的发展，但硅材料目前面临物理，显然新材料的发展将为电子工业带来革命性的变化。

同时，透明导电薄膜TCF的发展也对移动电子产业的发展起到了催化剂作用。其中，氧化铟锡ITO是一种TCF，一般采用磁控溅射MSP制造[17]。由于其高透光率、良好的导电性和稳定性，在触摸屏、液晶显示器、太阳能电池等领域占据着不可替代的地位[18-21]。

随着ITO的发展及其在手机上的应用，触摸屏手机的销量大幅增长。对电子产品的需求正在从固定台式电脑转向便携式移动设备。随着一些曾经必须在计算机上完成的任务越来越多地由移动设备来处理，电子行业的发展方向正逐渐走向轻巧和便携。

然而，ITO面临的挑战主要集中在原材料价格高企。ITO制造使用大量稀有金属铟。一方面价格较高，但另一方面，铟储量有限，因此ITO价格居高不下。

与AgNWs、石墨烯和CNT相比，ITO的透光率和导电率较低。ITO不能承受弯曲和拉伸。纳米材料的发展推动了电子工业的一场革命[22-25]。在纳米材料领域，已经开发出更先进的集成电路工艺。已开发出栅极长度为1nm的MoS2晶体管的制造工艺。该工艺允许将更短的栅极长度和更多的晶体管集成到集成电路中，从而创建具有更高性能的器件。该工艺的优点超越了硅基工艺。集成电路技术[26,27]。

Che等人使用接枝聚苯胺PANI的碳纳米管制造了一种具有优异导电性和透射率的透明电极[28]。与ITO相比，掺入PANI的CNT透明电极具有更高的柔韧性，使得开发具有灵活的薄层电阻/电导率/透过率的可穿戴设备成为可能。所有这些优点导致了纳米材料的快速发展及其取代传统材料的趋势[29-32]。

随着电子技术变得更加先进，许多实际应用需要将柔性显示器、柔性超级电容器、电子皮肤等电子设备附着到生物表面以检测运动或物理状态。[33-51]

为了追求电子设备的舒适性，使电子产品与人体更加紧密地结合，电子设备必须轻、柔软、可弯曲、有足够的弹性以适应人体的运动[52,53]。即使在转型期间也必须可靠运行。显然，传统的刚性电子材料将不再适合柔性电子应用。2018年以来，柔性电子的商业化逐渐开始，重点是手机。各大厂商纷纷推出并积极推广柔性折叠屏手机。

由于其优异的电性能、灵活性和重量轻，纳米材料可以成为柔性电子设备中传统刚性材料的潜在替代品[54-66]。石墨烯、碳纳米管等碳基纳米材料因其独特的高透明度、高比表面积和优异的机械性能而脱颖而出，在电子和储能领域显示出不可替代的地位。然而，大范围的不均匀性了其应用[96]。

此外，与传统金属导体相比，碳基材料的电导率相对较差，为100至10,000/sq。常见纳米材料与ITO的导电率和透明度比较如表1所示。近年来，银纳米线作为一维一维金属纳米结构材料受到广泛关注，并显示出替代传统电子材料的潜在潜力[97-110]。

银纳米线是一种银基金属纳米线，不仅适用于电子器件，电导率为6310^7Sm^-1，热导率为429Wm^-1K^-1.具有优异的导电性、透明度、热性能和机械性能，近年来由于其高长径比而引起了人们的关注[111-122]。

表1ITO与异质透明导电薄膜的性能比较

由于其优异的电性能和在溶液中良好的可操作性，AgNW可以被印刷为一些柔性电子器件中的导体或电路，并且一些研究显示其透光率达到80，与ITO相当。AgNW已成为替代ITO表1的潜在材料。且由于具有柔韧、阻力低、可操作性好的特点。

AgNW在某些应用中的性能优于ITO。因此，由于与ITO相比，AgNW的漫反射和镜面透射率存在较大差异，因此已被证明非常适合太阳能电池。这种现象的发生是由于光散射效应[123]。

AgNW广泛使用的另一个原因是它们易于制备[130]。AgNWs可以通过多种简单的方法合成，例如紫外线照射、水热法和溶液合成。Zhou等人通过紫外照射方法制备了AgNWs。将硝酸银和聚乙烯醇的混合物在紫外光下放置48小时，得到直径15-20nm、长度350nm的银纳米棒。Xu等人通过水热法制备了银纳米线[132]。

将六亚甲基四胺水溶液滴加到硝酸银水溶液中，加入Gemini表面活性剂，在100下进行水热反应，形成银纳米线。通过该方法制备的AgNWs的长度可以达到50m。由于AgNWs的制备方法更加方便，AgNWs被计划进行大规模生产。这也显着降低了银纳米线的成本，使它们更容易被现有的电子材料取代。

所有这些特性使银纳米线成为制造柔性和可拉伸电子设备的有前途的材料。然而，由于微观不连续性，银纳米线在实际应用中需要附着在特定的支撑物上。与制备方法相比，将AgNWs掺入柔性基质的方法特别令人感兴趣。本文主要讨论AgNW导电薄膜的组装、生长和性能，下面将更详细地讨论AgNW基导电薄膜的制造方法[135,136]。

AgNW基导电薄膜的组装

AgNW可以很好地分散在许多溶剂中，例如乙醇、异丙醇和水，因此AgNW基导电薄膜通常在溶液工艺中操作。通过印刷、涂层、真空过滤、模板辅助组装和凝胶化等技术，AgNW溶液被转移到柔性基材上以制造导电薄膜[144-149]。

涂层技术

涂层技术广泛应用于薄膜制造。在制备AgNWs导电薄膜时，通常将AgNWs分散液刮、滴或均匀喷涂到基材表面，然后蒸发溶剂。涂覆工艺后，AgNW网络形成在基底上以形成导电路径。薄膜的均匀性、导电性和透明度通常根据涂覆方法的不同而变化。下面我们就来讨论一下这个题。

迈耶路涂料

迈耶棒涂层是使用迈耶棒进行的棒涂层，迈耶棒是缠绕在金属丝上的金属棒。在Meyer棒涂覆过程中，将AgNWs溶液倒在基底表面上，然后用Meyer棒刮掉多余的溶液（图2a）。AgNWs薄膜的厚度决定了薄膜的导电性和透明度，并且可以通过改变棒周围金属线的直径来调节厚度。

Hu等人通过Meyer棒涂层工艺制备了AgNWs电极（图2b）。首先将AgNWs墨水倒在PET基材上，然后用Meyer棒涂覆。用红外灯干燥后，AgNW在聚对苯二甲酸乙二醇酯PET基底上均匀形成（图2c）。然后，将20nm厚的特氟隆附着在AgNWs薄膜的表面以保护电极。与ITO相比，该电极表现出优异的导电性和透过率（图2d）。

在制备大尺寸导电薄膜时，AgNWs的不均匀分布导致AgNW导电薄膜的导电性不均匀。张等人通过动态加热过程解决了这个题[150]。为了提高导电膜的均匀性，将制备的膜在氙灯下以0.05m/s的速度反复移动而不是固定。

在动态加热过程中，动态加热的温度梯度比图2e、f更加均匀。将动态加热方法制备的导电薄膜的均匀性与传统的MeyerRod涂覆方法进行比较。针对动态加热和传统工艺生产的导电薄膜，测量了2040mmPET基材上25个区域的电导率。动态加热制造的导电薄膜具有更好的均匀性。

提高导电薄膜导电性的另一种方法是通过后处理。例如，Song等人还通过Meyer棒涂层制备了透明导电薄膜[151]。使用Meyer棒将浓度为2-05mM的银纳米线涂覆在玻璃或ITO基板上。然后将薄膜在150、200、250、300和400C下烧结（表2）。烧结时温度