Sci.?China Mater.：光焊接納米粒子——從金屬溶膠到自支撐、導電性金屬薄膜

【引言】

隨著納米科學技術的飛速發展，納米科學的研究重點已從基礎的“材料與結構的合成、表征”到面向應用的“系統集成與器件功能化”方向發展。以獨立、無序的低維納米材料為建筑“單元”，自下而上構筑功能性二維或三維結構薄膜或器件就是其中的一個重要發展方向。具有高導電特性、柔性可彎曲的金屬納米薄膜是一種新型的納米功能材料，它在透明導電電極、化學傳感器、催化和光電器件等方面具有廣泛應用。

目前，導電金屬薄膜通常采用真空氣相沉積（如濺射、電子束蒸發、分子束外延等）方法加工，也可采用溶液加工的方法 (如自組裝、旋涂、滴涂、LB膜沉積等)由化學合成的金屬納米粒子制備而成。真空沉積的方法需要昂貴的大型儀器，加工成本較高。盡管采用溶液加工方法成本較低，但薄膜中的金屬粒子往往是無序堆積狀態、存在大量的粒子間隔，從而影響金屬薄膜傳遞電子的能力。發展可溶液加工的金屬納米薄膜材料、并能靈活地調控其包括導電性在內的多種性能，將既能降低金屬薄膜的制備成本又能促進其在多方面的應用。

【成果簡介】

近日，湖南大學化學化工學院胡家文教授、物理與微電子科學學院胡偉助理教授與段鑲鋒教授（共同通訊作者）領銜的微納系統與器件團隊合作，發展了一種光焊接制備自支撐、高導電性網狀金屬薄膜的方法。該方法先利用油-水界面快速組裝出大面積(> 10 cm²)的金或銀納米粒子薄膜，再用普通氙燈光照移除油相后遺留在水-氣界面上的金屬粒子薄膜。研究發現光照可以加速粒子表面原子的溶解，形成局部過飽和溶液。溶解的原子再沉積填充在相鄰粒子的納米間隔內，實現焊接，從而消除了粒子間隔的電阻。

以銀納米粒子薄膜為例，自組裝薄膜的面電阻約為55 Ω/sq，光照5 min后面電阻迅速減小到15 Ω/sq。當光照時間延長到1 h時，金屬薄膜的面電阻進一步減少到2 Ω/sq。焊接后銀納米粒子薄膜的面電阻減小了約30倍，具有和同樣厚度的體相金屬薄膜相當的導電性，可以作為柔性電極用于光電功能器件。例如，利用該金屬粒子薄膜作為叉指電極的鈣鈦礦光電探測器展現出了良好的性能。

【圖文導讀】

圖1. 制備和轉移金屬納米粒子薄膜過程示意圖

（a）通過界面自組裝和光焊接法制備金屬納米粒子薄膜的過程示意圖。

（b，c，d）分別為在水-空氣界面以及在不銹鋼網格、PET膜上光焊接的Ag NP（納米顆粒）薄膜的照片。

圖2. 不同光照時間制備的Ag NP薄膜的SEM圖

（a）（b）（c）（d）分別為銀納米粒子經過0，20，40和60分鐘光照制備的金屬薄膜SEM圖。在光焊接之前，大多數納米顆粒只在物理上相互接觸，隨著焊接時間的增加，膜中的納米粒子逐漸焊接在一起，并最終完全合并在一起，形成高度互連的二維網絡結構。

圖3. 不同光照時間制備的Au?NP薄膜的SEM圖

（a）（b）（c）（d）分別為55 nm金納米粒子經過0，20，40和60分鐘光照制備的金屬薄膜SEM圖。Au NP薄膜的SEM圖清楚地表明，最初的離散納米顆粒通過增加照射時間可以被焊接成一個高度互連的網絡結構。

圖4. 金屬納米粒子薄膜的TEM和HRTEM圖

（a，c）分別為在水-空氣界面光照焊接1小時的Ag和Au NP薄膜的TEM圖像。

（b，d）分別Ag和Au NP薄膜顆粒結的HRTEM圖像。

圖5. Ag和55nmAu NP薄膜的電學性能

（a，c）銀納米粒子薄膜電流-電壓曲線和光照時間對面電阻的影響。

（b，d）55 nm金納米粒子薄膜電流-電壓曲線和光照時間對面電阻的影響。

圖6. 銀納米粒子薄膜作為叉指電極構建的鈣鈦礦光電探測器的性能

（a）利用銀納米粒子薄膜作為布線一部分的藍色發光二極管。

（b）光電探測器的示意圖。

（c）光電探測器的電流-電壓曲線。

（d）光電流對光強度的依賴關系。

（e，f）不同光強度照射下的外量子效率和響應率。

【小結】

這一發現將納米粒子界面自組裝技術與光焊接技術相結合，可以將液相金屬溶膠加工成高柔性、魯棒性和導電性的金屬粒子薄膜。這不僅可以促進金屬粒子薄膜自身的應用，而且可以促進全液相加工的電子和光電器件的發展。

文獻鏈接：Light welding nanoparticles: from metal colloids to free-standing conductive metallic nanoparticle film（Sci.?China Mater., 2017,?Doi:?10.1007/s40843-016-5136-6）

《中國科學：材料科學》（Science China Materials，簡稱SCMs）創刊于2014年底，由中國科學院和國家自然科學基金委員會共同主辦，是《中國科學》系列期刊之一。SCMs以快速發表材料科學最新重要研究成果為辦刊宗旨，為材料科學和化學、物理、生命科學等相關學科的科研人員提供了一個及時交流科研成果與思想的新平臺。SCMs涵蓋了材料科學研究的各個領域，尤其側重于當前的熱點研究方向，如能源存儲材料、催化材料、生物材料、納米結構和功能性材料等。

本文由Science?China?Materials編輯部投稿，材料人編輯部風之翼整理編輯。

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