廈大蔡端俊&陳小紅ACS Appl. Mater. Interfaces：脈沖激光超快掃描焊接銅納米線網絡：可程序化直寫透明柔性電路

【引言】

透明導電電極（TCE）在各種日常使用的電子設備（包括觸摸屏，太陽能電池，發光二極管，加熱膜等）中起著關鍵作用。這些應用需要具有出色光電性能的高級TCE（高透明性和高導電性）以及出色的穩定性，可滿足電路板的實際需求。目前，市場上最常見的TCE材料是氧化銦錫（ITO），它具有出色的光電性能，并且在低薄層電阻的情況下具有高光學透明性（> 90％）。然而，由于ITO的脆性和高成本，它不能被結合到新穎的柔性器件中。為了替代傳統的ITO，前沿研究集中在先進的TCE材料上并且已經取得了長足的進步。在性能和成本方面，由于銅的豐度、低成本和高固有導電率，銅納米線成為最有希望的TCE材料之一。就性能和成本而言，由于Cu含量豐富，成本低和高電導率而成為最有前途的TCE材料之一。從幾何學的觀點來看，已經通過各種水性或有機試劑溶液方法獲得了具有高質量，高縱橫比和高光電性能的純Cu NW。

【成果簡介】

近日，廈門大學蔡端俊教授、陳小紅助理教授（共同通訊作者）、康俊勇教授等人提出了通過脈沖紫外（UV）激光束對銅納米線網絡進行可編程的超快掃描焊接方法，并將TCE應用在基于GaN的紫外和藍光LED芯片，同時實現了透明柔性電路的激光直寫制備。高縱橫比的銅納米線通過油胺（OLA）介導的溶液系統（以Ni離子為催化劑）合成的。核心技術結合脈沖UV激光束照射和可程序化的移動臺，以實現Cu NWs網絡的超快焊接（單脈沖10 ms）。研究結果揭示了Cu納米線在深UV波長范圍（低于約250nm）具有高光吸收效率和局域熱效應。通過逐行掃描和選擇路線掃描兩種不同的模式，可以分別實現大面積的TCE薄膜（20X20 cm²）和透明柔性電路制備。該TCE薄膜具有高性能（33 Ohm/sq，87%透射率）和高穩定性。有限元模擬闡明了瞬態熱分布和焊接機理對激光波長、NW直徑和距離的依賴性。采用激光掃描焊接法成功制備銅納米線TCE的完整紫外線和藍色LED芯片，并實現了明亮的頂面發光。這種處理策略提出了未來電路的新概念，使得超快速方便地直接書寫透明柔性電路，制備柔性高效光電子器件成為可能。該成果以題為“Programmed Ultrafast Scan Welding of Cu Nanowire Networks with a Pulsed Ultraviolet Laser Beam for Transparent Conductive Electrodes and Flexible Circuits”發表在ACS Applied Materials& Interfaces上。

【團隊簡介】

廈門大學蔡端俊教授研究組，長期致力于金屬納米線材料、二維半導體薄層、深紫外（DUV）半導體LED器件、智能可穿戴傳感器件之研發。在該領域獲得了一系列成果，成功合成世界上最細的銅米線（< 16 nm）并實現功函數可調的深紫外透明電極應用，實現3D石墨烯包裹銅米線合成及全透明LED芯片制備，實現一鍋法快速核殼合金Cu納米線網絡制備，發明選擇性透明、保溫隱私玻璃，成功制備超大面積二維單原子層h-BN薄膜（> 25 inch）并首次實現p型電導摻雜，提出非對稱超薄AlN/GaN超晶格人工結構并實現了深紫外發光的各向同性化調制。

參考文獻:

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

【圖文導讀】

圖1.銅納米線的表征

（a）銅納米線的光學顯微圖像

（b）銅納米線的SEM圖像

（c）XRD圖譜分別表示Cu（111），Cu（200）和Cu（220）在43.5°，50.6°和74.3°處的衍射峰

單個Cu NW的（d，e）TEM圖像和Cu NW選定區域的HRTEM圖像，0.208-nm晶格參數對應于Cu（111）平面的距離

（f）銅納米線的晶體結構和刻面示意圖

（g）XRD圖譜分別表明Cu（111），Cu（200）和Cu（220）在43.5°，50.6°和74.3°處的衍射峰

圖2.激光輻照表征

（a）對銅納米線進行激光輻照處理的完整過程的示意圖

（b-e）紫外激光束以0、4、8和12 mJ / cm2的輻射能量掃描的銅納米線的SEM圖像

（f）銅納米線薄膜的吸光度與波長的關系

（g）激光輻照前后的銅納米線的AES光譜

（h）激光輻照前后銅納米線的FT-IR光譜

圖3.Cu NW的熱分布

（a）帶有接觸結的交叉式銅納米線的模型結構，用于有限元模擬

（b）脈沖紫外激光的光譜，顯示在248 nm處的中心峰

（c）計算得出的交叉銅納米線相對于激光波長的熱分布，范圍為220至800 nm

（d）各種直徑的交叉Cu NW的熱分布計算值

（e）計算出不同距離的交叉Cu NW的熱分布

圖4.銅納米線的應用表征

（a）各種油墨濃度下的銅納米線TE的透射率

（b）不同濃度的銅納米線TE的透射率與薄層電阻的關系

（c）在室溫下暴露于空氣中30天的不同方法處理的銅納米線的表面電阻與老化時間的關系

（d）在85 ^oC和RH = 90％的條件下放置14天的各種Cu NWs薄膜的表面電阻與老化時間的關系

（e,f）在環境中暴露30天并在85 ^oC和RH = 90％的條件下暴露14天的激光焊接Cu NW的XPS光譜

圖5.用于柔性顯示

（a）用于程序化激光掃描的運動控制站示意圖

（b）運動控制站的照片

（c）在PET上大面積激光焊接柔性NWs TCE薄膜

（d）警告信號模塊，具有透明靈活的電路，通過編程的激光掃描焊接編寫而成，并與電子元件結合在一起

（e-f）粉色LED指示燈或綠色LED指示燈發出警告信號的操作狀態

圖6.器件的制備與表征

（a）具有銅NWs TCE的GaN基UV LED的完整結構示意圖

（b-d）UV LED芯片的制備過程示意圖

（e-f）通過圖案化壓印銅納米線傳統文化表現形式在板上制造的UV LED芯片的照片

（g）激光焊接Cu NWs TCE的UV LED的I-V曲線

（h）在各種注入電流下，UV LED的EL光譜，在385 nm處顯示出尖銳的發射峰

（i）帶有激光焊接的銅NWs TCE和ITO的UV LED的光輸出功率和EQE作為電流的函數進行比較

【小結】

金屬納米線（NWs）已顯示出下一代透明導電（TC）材料的卓越進步。大多數關注集中在均勻的導電膜上，但是，仍然缺少可編程的電路制造。在這里，作者演示了通過在室溫和空氣中直接進行脈沖激光束掃描來實現的可編程超快焊接方法，以實現可圖案化TCE電路和各種尺寸的薄膜的Cu NWs。高長徑比的銅納米線（> 3000）是通過油胺介導的溶液系統合成的。核心技術結合了脈沖紫外激光束照射和可編程的移動臺，用于超快焊接銅納米線網絡。有限元模擬結果顯示，通過高效吸收紫外線（?250 nm）進行瞬時局域加熱，可以去除表面上的有機殘留物，并實現隔行掃描的NW結的局部焊接。僅用10 ms的脈沖輻射，就獲得了高光電性能和優異的Cu NWs TCE膜穩定性。逐行掃描模式可以快速制作大面積TCE薄膜，而編程的選擇路徑掃描模式可實現直接寫出透明柔性電路。此外，制造出了完全透明的微米級UV和藍色LED芯片，并成功發出了明亮的光。這種方法通過直接一步激光刻寫開辟了電路和器件制造的未來方式。

文獻鏈接：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

本文由tt供稿。