北科大王东瑞教授课题组《ACS AMI》：墨水直写打印线宽50 μm、超高电导率的银纳米线图案化电极

2023-02-22 来源：高分子科技

以纳米材料为原材料，通过“自下而上”的方式构筑多层级结构有序的结构材料、功能器件，对于变革材料、器件的传统制造模式有着深远的影响。在微电子制造领域，传统的丝网印刷、光刻等技术在加工柔性电子器件方面暴露出步骤繁琐、耗时久、成本高、一体化制造难等不足。墨水直写（DIW）是一种简单、独特的增材制造技术，可在室温下将多种墨水挤出并沉积到任意几何形状的基材上，具有低成本、快速、可按需定制等特点。然而，将有着大长径比的一维金属纳米线通过DIW技术制成具有高分辨率、高电导率的电极仍存在巨大的挑战。

近日，北京科技大学王东瑞课题组发展了一种绿色、简便、高通量的直写打印兼具高分辨率、高电导率银纳米线（AgNWs）图案化电极的方法。他们通过天然高分子海藻酸钠调节银纳米线的流变特性，并结合计算机控制墨水挤出速率及打印速率，实现了高长径比银纳米线（长径比约730）在任意材质2D基材表面的直写打印。所得电极边缘清晰，分辨率较高，线宽可低至50 μm。再利用氯化钙溶液对打印的电极进行快速的化学焊接处理，可大幅提升银纳米线电极的电导率和与基材的粘附力。他们还演示了一种基于该类银纳米线电极的功能器件 - 电粘附软抓手。所得器件非常轻薄，质量仅0.9 g，厚度仅312 μm，却可在2 kV的激励电压下提起500 g的砝码。

图1 银纳米线图案化电极制备过程及相应的样品照片

图2 直写打印过程参数对银纳米线图案的分辨率、电导率、取向有序度的调制

通过控制墨水的流变性质、打印参数（V*，Z*）以及墨水与基板的润湿性，可以在任意基板上打印连续、高分辨率（线宽低至 50 μm）和具有高取向度（S > 0.8）的银纳米线电极。

图3 后处理过程对银纳米线电极的电导率、与基材粘附力提升显著

实验结果显示，对直写打印得到的银纳米线电极进行快速的后处理，可显著提升电极电导率，最高可达1.26 × 10⁵ S/cm。胶带剥离测试表明，后处理过程同时提升了打印电极与基板的粘附强度。

图4 打印在PI膜及弹性体基材上的银纳米线电极电阻稳定特性

基于上述方法制备得到的银纳米线电极在弯曲、拉伸应变测试中表现优异。

图5 基于直写打印制备的银纳米线叉指电极用于电粘附软抓手

利用上述方法在PI膜上制造银纳米线叉指电极，再用硅橡胶封装，构建了一种具有电粘附性能的软抓手（SEG）。在3 kV激励电压下、该SEG对金属板的切向粘附力可高达15.5 kPa。该SEG可利用其电粘附特性，夹持不同材质、不同形状的物品，在智能软机器方面有着重要的应用潜力。

相关研究成果近期发表在ACS Applied Materials & Interfaces，论文通讯作者为北京科技大学化生学院王东瑞教授，第一作者为博士研究生孔祥一，研究工作得到了国家自然科学基金项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c22885

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（责任编辑：xu）

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