一种图案化柔性导电薄膜的制备方法技术

本发明专利技术属于柔性电子器件领域，公开了一种图案化柔性导电薄膜的制备方法，包括：(1)在柔性衬底上依次制备纳米线导电薄膜层及水溶性聚合物薄膜层；(2)通过电流体动力学近场直写工艺使用高分子聚合物溶液在水溶性聚合物薄膜层表面直写微纳尺度图案，刻蚀出图案结构；(3)以上述图案化聚合物薄膜为掩膜层对纳米线导电薄膜层进行化学处理，并去除未被掩蔽的纳米线导电薄膜；(4)利用去离子水去除残留的水溶性聚合物薄膜，干燥，得到柔性透明导电薄膜。本发明专利技术基于电流体近场直写工艺和模板法结合，采用直写工艺得到的聚合物纤维作为制备纳米线薄膜的模板或者模板刻蚀剂，从而实现图案化柔性导电薄膜的制备。

【技术实现步骤摘要】
一种图案化柔性导电薄膜的制备方法
本专利技术属于柔性电子器件领域，具体为一种图案化柔性导电薄膜的制备方法。
技术介绍
透明导电薄膜是一类具有高导电性和在可见光波长范围内具有优异光学透过性的功能薄膜，主要用作透明电极，它是各类电子器件最关键、最基础的部件，在触摸屏，太阳能电池，LCD，OLED等光电器件中不可或缺。然而，由于高载流子浓度通常意味着强烈的光吸收，因此结合了高光学透明度和良好电导率的材料的选择范围受到了限制。氧化铟锡(ITO)兼具这两种性能，因而被广泛利用。但是，使用ITO作为透明电极具有许多缺点：①铟储藏量以及利用率较低；②材料需要高温沉积；③比较硬而脆，缺乏延展性等。随着光电产业飞速发展，透明导电薄膜的应用领域不断的扩大，对其物理和化学性能进一步提出了更高要求，可穿戴设备、柔性显示、电子皮肤等柔性器件的出现对电极提出新的挑战，传统电极ITO越来越难以满足要求。因此，人们寻找了许多材料来代替ITO以应用于未来的柔性光电器件。其中比较有可能代替的材料包括碳基材料，例如碳纳米管(CNT)、石墨烯、聚合物材料，例如PEDOT：PSS、金属纳米颗粒(NPS)以及金属纳米线(NWS)。近年来，以线状电极为代表的柔性电极成为重要的研究方向。纳米线可分为不同的类型，包括金属纳米线，半导体纳米线和绝缘体纳米线。但在电极材料/导电薄膜领域，我们比较常用的材料是纳米管、石墨烯、以及金属纳米线。它们均可以采用溶液涂布技术，实现大面积大规模的生产制造。如果想要将这些新型材料大规模应用于光电器件中，我们就必须对其实现光电性能的提升。在众多提升途径中，对纳米线电极进行构图是一种很有效的方法。因此，积极研究纳米线网络的光电性能参数和图案化纳米线的工艺，对于加快柔性光电产业的发展具有重要的现实意义。银纳米线透明导电薄膜以独特创新的纳米银线技术，具有比传统ITO更加优异的耐久性，高挠曲性、低阻值的特点，效益可达ITO的数倍以上。同时，银纳米线透明导电薄膜具备良好的搭配使用性，可适用于现有的产业制程；材料的稳定性也可缩短制程所需的时间，此外，更具有优越的环境信赖性与相关特性，符合目前产业所需的光学与电气特性。产业的应用范围也极广，包括触控面板、显示器、可挠性显示器，以及太阳能等相关领域内，是理想的ITO取代材料。根据研究，间隔很细的金属结构的栅格可以在低薄层电阻的情况下提供高透明度，可以严重影响网格的光学和电气特性。因此通过在银纳米线薄膜表面制备微图案结构来实现更好的性能就变成了一种可能的选择。但是当前对银纳米线的图案化操作工艺多需要特定的仪器(光刻机、PDMS掩模版等)，并且只能使用有限的材料，其成本较高，技术要求也较高，无法实现大面积的图案化银纳米线薄膜的制备。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述技术的不足，提供一种图案化柔性导电薄膜的制备方法，利用将电流体动力学近场直写工艺与模板法相结合，以所直写聚合物为模板或刻蚀剂，通过调控聚合物溶液的浓度，实现了亚微米级特征尺寸、边缘整齐、复杂图案的高分辨率大面积纳米线电极的快速绿色制备。此技术方案实施难度低，无污染，应用材料广泛，并且可以实现大面积快速制备。为了达到上述的目的，本专利技术提供了一种柔性透明导电薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)在柔性衬底上依次制备纳米线导电薄膜层及水溶性聚合物薄膜层；(2)配制一定浓度的高分子聚合物溶液，加入注射泵待用，通过电流体动力学近场直写工艺使用高分子聚合物溶液在水溶性聚合物薄膜层表面直写微纳尺度图案，刻蚀出图案结构，得到图案化聚合物薄膜；(3)以上述图案化聚合物薄膜为掩膜层对纳米线导电薄膜层进行化学处理，并去除未被掩蔽的纳米线导电薄膜；(4)利用去离子水去除残留的水溶性聚合物薄膜，干燥，得到柔性透明导电薄膜。进一步，所述步骤(1)中柔性衬底包括柔性玻璃和柔性聚合物衬底，所述柔性衬底为由聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚二甲(基)硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种制备成的单层或多层衬底。进一步，所述步骤(1)中采用溶液制膜法制备所述纳米线导电薄膜层及所述水溶性聚合物薄膜层，所述溶液制膜法为旋涂、棒涂、丝网印刷、喷涂、刮刀涂布、浸泡涂布、狭缝涂布、压印中的一种。进一步，所述步骤(1)中，纳米线导电薄膜层厚度为0.1～100微米，所述聚合物薄膜层厚度为0.1～100微米。进一步，所述步骤(1)中取消水溶性聚合物薄膜层的制备，仅在柔性衬底上制备纳米线导电薄膜层，即模板发生改变。进一步，所述步骤(2)中的高分子聚合物包括聚乙烯醇、聚氧乙烯以及乙烯-乙烯醇共聚物。进一步，步骤(2)中所配置聚合物溶液的浓度应随方法而改变，当步骤(1)中在柔性衬底上依次制备纳米线导电薄膜层及水溶性聚合物薄膜层时，为了制出模板，此时需要直写的溶液中含有较多的水以侵蚀水溶性聚合物层，高分子聚合物溶液的浓度为0.5～1％。当步骤(1)中无聚合物层时，直写高分子聚合物溶液的浓度应较高，从而以直写的纺丝为模板进行后续操作，步骤(1)中仅在柔性衬底上制备纳米线导电薄膜层时，高分子聚合物溶液的浓度为3～4％。进一步，步骤(2)所采用的电流体动力学近场直写工艺，又名为近场直写溶液静电纺丝技术，其原理是在喷头上施加高电压，收集板接电，使喷头和收集基板之间形成静电电场，在电场力的作用下，移动电荷在液体表面聚集，电荷库仑力导致液体表面产生切应力，在剪切力的作用下，溶液在喷嘴处形成泰勒锥，随着电场强度增加，电场作用力克服液体表面张力，在泰勒锥顶端产生射流，该喷射模式称为锥射流模式，喷射液滴直径通常为喷嘴直径的0.01～0.2倍，从而实现高分辨率打印。进一步，步骤(2)中，实施电流体动力学近场直写时，装置的喷嘴与柔性衬底的距离为0.3毫米～0.5毫米，喷嘴所采用的针管内径与所采用的针头型号有关，溶液注入时的流速为30微升/分钟～250微升/分钟，柔性衬底进行加热，加热温度为10℃～50℃，施加电压为5千伏～15千伏。进一步，当所述步骤(3)中纳米线导电薄膜层为金属纳米线材料，所述金属纳米线未被掩蔽区域生成金属氧化物，然后采用酸系刻蚀液对基片进行湿法刻蚀，金属氧化物发生化学反应并溶解，未被保护层掩蔽的纳米线导电薄膜被刻蚀去除。进一步，当所述步骤(3)中纳米线导电薄膜层为碳纳米管材料，所述碳纳米管被氧等离子体刻蚀去除。进一步，所述步骤(3)中酸系刻蚀液为醋酸、稀硝酸、硫酸、盐酸或者任意一种与金属氧化物反应的酸。与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：与现有技术相比，本专利技术提供的图案化柔性导电薄膜制备方法的有益效果在于：本专利技术提供了一种图案化柔性导电薄膜的制备方法，基于电流体近场直写(电纺)工艺和模板法结合，采用直写工艺得到的聚合物细丝(纺丝)作为制备纳米线薄膜的模板或者模板刻蚀剂，从而实现图案化柔性导电薄膜的制备。并且采取聚合物纺丝不同的定位，实现模板图案与纳米线薄膜图案的互补或相同。本专利技术利用大面积的电流体动力学近场直写打印高分子聚合物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种图案化柔性导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n(1)在柔性衬底上依次制备纳米线导电薄膜层及水溶性聚合物薄膜层；/n(2)通过电流体动力学近场直写工艺使用高分子聚合物溶液在水溶性聚合物薄膜层表面直写微纳尺度图案，刻蚀出图案结构，得到图案化聚合物薄膜；/n(3)以上述图案化聚合物薄膜为掩膜层对纳米线导电薄膜层进行化学处理，并去除未被掩蔽的纳米线导电薄膜；/n(4)利用去离子水去除残留的水溶性聚合物薄膜，干燥，得到柔性透明导电薄膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种图案化柔性导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)在柔性衬底上依次制备纳米线导电薄膜层及水溶性聚合物薄膜层；
(2)通过电流体动力学近场直写工艺使用高分子聚合物溶液在水溶性聚合物薄膜层表面直写微纳尺度图案，刻蚀出图案结构，得到图案化聚合物薄膜；
(3)以上述图案化聚合物薄膜为掩膜层对纳米线导电薄膜层进行化学处理，并去除未被掩蔽的纳米线导电薄膜；
(4)利用去离子水去除残留的水溶性聚合物薄膜，干燥，得到柔性透明导电薄膜。


2.根据权利要求1所述的图案化柔性导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中柔性衬底包括柔性玻璃和柔性聚合物衬底，所述柔性衬底为由聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚二甲(基)硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种制备成的单层或多层衬底。


3.根据权利要求1所述的图案化柔性导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中采用溶液制膜法制备所述纳米线导电薄膜层及所述水溶性聚合物薄膜层，所述溶液制膜法为旋涂、棒涂、丝网印刷、喷涂、刮刀涂布、浸泡涂布、狭缝涂布、压印中的一种。


4.根据权利要求1所述的图案化柔性导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，纳米线导电薄膜层为金属纳米线材料或碳纳米管材料，纳米线导电薄膜层厚度为0.1～100微米，所述水溶性聚合物薄膜层采用蚕丝蛋白溶液或珠丝蛋白溶液制备，所述水溶性聚合物薄膜层厚度为0.1～100微米。
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【专利技术属性】
技术研发人员：罗钰，宁田泽，张皓，冯学明，裴跃琛，王莉，卢秉恒，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61