蔡端俊&陈小红ACS Appl. Mater. Interfaces：脉冲激光超快扫描焊接铜纳米线网络：可程序化直写透明柔性电路

原创 tt 材料人

【引言】

透明导电电极（TCE）在各种日常使用的电子设备（包括触摸屏，太阳能电池，发光二极管，加热膜等）中起着关键作用。这些应用需要具有出色光电性能的高级TCE（高透明性和高导电性）以及出色的稳定性，可满足电路板的实际需求。目前，市场上最常见的TCE材料是氧化铟锡（ITO），它具有出色的光电性能，并且在低薄层电阻的情况下具有高光学透明性（> 90％）。然而，由于ITO的脆性和高成本，它不能被结合到新颖的柔性器件中。为了替代传统的ITO，前沿研究集中在先进的TCE材料上并且已经取得了长足的进步。在性能和成本方面，由于铜的丰度、低成本和高固有导电率，铜纳米线成为最有希望的TCE材料之一。就性能和成本而言，由于Cu含量丰富，成本低和高电导率而成为最有前途的TCE材料之一。从几何学的观点来看，已经通过各种水性或有机试剂溶液方法获得了具有高质量，高纵横比和高光电性能的纯Cu NW。

【成果简介】

近日，厦门大学蔡端俊教授、陈小红助理教授（共同通讯作者）、康俊勇教授等人提出了通过脉冲紫外（UV）激光束对铜纳米线网络进行可编程的超快扫描焊接方法，并将TCE应用在基于GaN的紫外和蓝光LED芯片，同时实现了透明柔性电路的激光直写制备。高纵横比的铜纳米线通过油胺（OLA）介导的溶液系统（以Ni离子为催化剂）合成的。核心技术结合脉冲UV激光束照射和可程序化的移动台，以实现Cu NWs网络的超快焊接（单脉冲10 ms）。研究结果揭示了Cu纳米线在深UV波长范围（低于约250nm）具有高光吸收效率和局域热效应。通过逐行扫描和选择路线扫描两种不同的模式，可以分别实现大面积的TCE薄膜（20X20 cm²）和透明柔性电路制备。该TCE薄膜具有高性能（33 Ohm/sq，87%透射率）和高稳定性。有限元模拟阐明了瞬态热分布和焊接机理对激光波长、NW直径和距离的依赖性。采用激光扫描焊接法成功制备铜纳米线TCE的完整紫外线和蓝色LED芯片，并实现了明亮的顶面发光。这种处理策略提出了未来电路的新概念，使得超快速方便地直接书写透明柔性电路，制备柔性高效光电子器件成为可能。该成果以题为“Programmed Ultrafast Scan Welding of Cu Nanowire Networks with a Pulsed Ultraviolet Laser Beam for Transparent Conductive Electrodes and Flexible Circuits”发表在ACS Applied Materials& Interfaces上。

【团队简介】

厦门大学蔡端俊教授研究组，长期致力于金属纳米线材料、二维半导体薄层、深紫外（DUV）半导体LED器件、智能可穿戴传感器件之研发。在该领域获得了一系列成果，成功合成世界上最细的铜米线（< 16 nm）并实现功函数可调的深紫外透明电极应用，实现3D石墨烯包裹铜米线合成及全透明LED芯片制备，实现一锅法快速核壳合金Cu纳米线网络制备，发明选择性透明、保温隐私玻璃，成功制备超大面积二维单原子层h-BN薄膜（> 25 inch）并首次实现p型电导掺杂，提出非对称超薄AlN/GaN超晶格人工结构并实现了深紫外发光的各向同性化调制。

参考文献:

[1] ACS Nano 14, 6761-6773 (2020).

[2] Journal of Physical Chemistry Letters 11, 2559-2569 (2020).

[3] Scientific Reports 8, 13721 (2018).

[4] ACS Applied Materials & Interfaces 8, 28709 (2016).

[5] Scientific Reports 6, 34766 (2016).

[6] Nanoscale 7, 10613–10621 (2015).

[7] Scientific Reports 3, 2323 (2013).

[8] Laser & Photonics Reviews 7, 572 (2013).

【图文导读】

图1.铜纳米线的表征

（a）铜纳米线的光学显微图像；

（b）铜纳米线的SEM图像；

（c）XRD图谱分别表示Cu（111），Cu（200）和Cu（220）在43.5°，50.6°和74.3°处的衍射峰；

单个Cu NW的（d，e）TEM图像和Cu NW选定区域的HRTEM图像，0.208-nm晶格参数对应于Cu（111）平面的距离；

（f）铜纳米线的晶体结构和刻面示意图；

（g）XRD图谱分别表明Cu（111），Cu（200）和Cu（220）在43.5°，50.6°和74.3°处的衍射峰。

图2.激光辐照表征

（a）对铜纳米线进行激光辐照处理的完整过程的示意图；

（b-e）紫外激光束以0、4、8和12 mJ / cm² 的辐射能量扫描的铜纳米线的SEM图像；

（f）铜纳米线薄膜的吸光度与波长的关系；

（g）激光辐照前后的铜纳米线的AES光谱；

（h）激光辐照前后铜纳米线的FT-IR光谱。

图3.Cu NW的热分布

（a）带有接触结的交叉式铜纳米线的模型结构，用于有限元模拟；

（b）脉冲紫外激光的光谱，显示在248 nm处的中心峰；

（c）计算得出的交叉铜纳米线相对于激光波长的热分布，范围为220至800 nm；

（d）各种直径的交叉Cu NW的热分布计算值；

（e）计算出不同距离的交叉Cu NW的热分布。

图4.铜纳米线的应用表征

（a）各种油墨浓度下的铜纳米线TE的透射率；

（b）不同浓度的铜纳米线TE的透射率与薄层电阻的关系；

（c）在室温下暴露于空气中30天的不同方法处理的铜纳米线的表面电阻与老化时间的关系；

（d）在85 ^oC和RH = 90％的条件下放置14天的各种Cu NWs薄膜的表面电阻与老化时间的关系；

（e,f）在环境中暴露30天并在85 ^oC和RH = 90％的条件下暴露14天的激光焊接Cu NW的XPS光谱。

图5.用于柔性显示

（a）用于程序化激光扫描的运动控制站示意图；

（b）运动控制站的照片；

（c）在PET上大面积激光焊接柔性NWs TCE薄膜；

（d）警告信号模块，具有透明灵活的电路，通过编程的激光扫描焊接编写而成，并与电子元件结合在一起；

（e-f）粉色LED指示灯或绿色LED指示灯发出警告信号的操作状态。

图6.器件的制备与表征

（a）具有铜NWs TCE的GaN基UV LED的完整结构示意图；

（b-d）UV LED芯片的制备过程示意图；

（e-f）通过图案化压印铜纳米线传统文化表现形式在板上制造的UV LED芯片的照片；

（g）激光焊接Cu NWs TCE的UV LED的I-V曲线；

（h）在各种注入电流下，UV LED的EL光谱，在385 nm处显示出尖锐的发射峰；

（i）带有激光焊接的铜NWs TCE和ITO的UV LED的光输出功率和EQE作为电流的函数进行比较。

【小结】

金属纳米线（NWs）已显示出下一代透明导电（TC）材料的卓越进步。大多数关注集中在均匀的导电膜上，但是，仍然缺少可编程的电路制造。在这里，作者演示了通过在室温和空气中直接进行脉冲激光束扫描来实现的可编程超快焊接方法，以实现可图案化TCE电路和各种尺寸的薄膜的Cu NWs。高长径比的铜纳米线（> 3000）是通过油胺介导的溶液系统合成的。核心技术结合了脉冲紫外激光束照射和可编程的移动台，用于超快焊接铜纳米线网络。有限元模拟结果显示，通过高效吸收紫外线（〜250 nm）进行瞬时局域加热，可以去除表面上的有机残留物，并实现隔行扫描的NW结的局部焊接。仅用10 ms的脉冲辐射，就获得了高光电性能和优异的Cu NWs TCE膜稳定性。逐行扫描模式可以快速制作大面积TCE薄膜，而编程的选择路径扫描模式可实现直接写出透明柔性电路。此外，制造出了完全透明的微米级UV和蓝色LED芯片，并成功发出了明亮的光。这种方法通过直接一步激光刻写开辟了电路和器件制造的未来方式。

文献链接：Programmed Ultrafast Scan Welding of Cu Nanowire Networks with a Pulsed Ultraviolet Laser Beam for Transparent Conductive Electrodes and Flexible Circuits. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, DOI: 10.1021/acsami.0c07962

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