基于银纳米粒子的可拉伸导电膜的制作方法

文档序号:9328352阅读:390来源:国知局
基于银纳米粒子的可拉伸导电膜的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]可拉伸电子产品吸引了来自学术和工业界的大的兴趣。所述新的一类电子产品在许多领域中具有潜在应用,如用于机器人装置的可拉伸虚拟皮肤、用于功能服装的可穿戴电子产品、可拉伸传感器和柔性电子显示器。在需要与人类身体接触或需要与弯曲表面适形的电子装置中尤其需要材料的可拉伸性。然而,常规电子装置通常由刚性材料制得,它们不能拉伸、折叠和扭转。
[0002]银作为用于电子装置的导电元件是特别有趣的,因为银比金的成本低得多,且银具有比铜好得多的环境稳定性。可溶液加工的导体在这种电子应用中使用引起了人们很大的兴趣。银纳米粒子基油墨代表了用于电子应用的一类有前途的材料。然而,大多数银(和金)纳米粒子通常需要大分子量稳定剂来确保在溶液中适当的溶解性和稳定性。这些大分子量稳定剂不可避免地将银纳米粒子的退火温度升高至200°C以上,以烧尽稳定剂。这些高温与其上可涂布溶液的大多数低成本塑料基材(如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN))不相容,并可导致对所述低成本塑料基材的损坏。
[0003]美国专利N0.7,270, 694公开了一种方法,其包括在包含银化合物、还原剂、稳定剂和任选的溶剂的反应混合物中,在可热去除的稳定剂的存在下使银化合物与包含肼化合物的还原剂反应,以形成在含银纳米粒子的表面上具有稳定剂的分子的多个含银纳米粒子。
[0004]美国专利N0.7,494,608公开了一种组合物,其包含液体和具有稳定剂的多个含银纳米粒子,其中所述含银纳米粒子为在包含银化合物、还原剂、稳定剂和有机溶剂的反应混合物中在可热去除的稳定剂的存在下银化合物与包含肼化合物的还原剂的反应产物,其中所述肼化合物为烃基肼、烃基肼盐、酰肼、肼基甲酸酯、磺酰肼或它们的混合物,且其中所述稳定剂包括有机胺。
[0005]银纳米粒子也已例如如美国公布N0.2007/0099357 Al中所述,使用I)胺稳定的银纳米粒子和2)交换胺稳定剂和羧酸稳定剂而制得。
[0006]非常需要开发新的材料,其可克服目前用于刚性常规电子装置中的那些材料的局限性。

【发明内容】

[0007]在一个实施例中,一种制品,其包括基材和可拉伸导电膜。所述可拉伸导电膜包括设置于基材上的多个经退火的银纳米粒子。所述导电膜可由包含萘烷溶剂的液体组合物形成。所述导电膜还可包括与导电膜的退火态形状(as-annealed shape)相关的第一电导率,且当在至少一个方向上将所述膜拉伸超过所述退火态形状时,所述膜可包括第二电导率。
[0008]在另一实施例中,公开了一种用于制备制品的方法。所述方法可包括在溶剂中分配有机胺银纳米粒子以形成油墨、将油墨的层沉积于基材表面上、将所述层退火以形成包含经退火的银纳米粒子的可拉伸导电膜,以及拉伸所述可拉伸导电膜,使得其获得第二电导率。所述可拉伸导电膜可具有退火态形状和与所述退火态形状相关的第一电导率。
[0009]在另一实施例中,一种制品包括表面和设置于所述表面上的可拉伸导电膜。所述可拉伸导电膜可包括多个经退火的导电金属纳米粒子。所述可拉伸导电膜也可具有与可拉伸导电膜的退火态形状相关的第一电导率。当在至少一个方向上将所述可拉伸导电膜拉伸超过所述退火态形状时,所述可拉伸导电膜可包括第二电导率。
【附图说明】
[0010]图1A显示了根据本文公开的实施例的包括沉积于基材表面上的银纳米粒子的油墨层。
[0011]图1B-1C显示了包括可拉伸导电膜的制品,所述可拉伸导电膜包括设置于基材上的银纳米粒子,所述制品以未拉伸状态(图1B)和拉伸状态(图1C)显示。
[0012]图2A为显示了根据本公开的实施例的被拉伸之后的可拉伸导电银纳米粒子膜的俯视图的SEM图像。
[0013]图2B为显示了图2A的可拉伸导电银纳米粒子膜的横截面和其上设置可拉伸导电银纳米粒子膜的下方的基材的SM图像。
【具体实施方式】
[0014]本实施例提供了导电膜、制备导电膜的方法和包括导电膜的制品。所述导电膜可包括银纳米粒子,例如由纳米粒子油墨组合物沉积,并作为可拉伸基材上的膜形成的银纳米粒子。所述油墨组合物可由银纳米粒子溶液组成,所述银纳米粒子溶液可含有银纳米粒子、稳定剂和溶剂。所述银纳米粒子油墨组合物可选自如美国公布N0.2012/0043512中所公开的银纳米粒子油墨组合物和/或如美国公布N0.2011/0135808中所公开的银纳米粒子油墨组合物。
[0015]当将油墨层退火时,银纳米粒子变得经退火而形成导电膜。所述导电膜可与基材表面基本上适形(即使当拉伸基材时),并保持导电。所述导电膜可具有初始形状,如当变得充分退火时膜所获得的形状,以及对应于所述初始形状的第一电导率。随后,例如当膜保持与下方基材的表面缔合时可拉伸膜,在至少一个方向上拉伸基材约5%至约10%。当被拉伸时,例如当达到拉伸状态或当达到随后的未拉伸状态时,膜电导率为第二电导率。在一个实施例中,第二电导率不小于第一电导率。在一个实施例中,第二电导率大于第一电导率。
[0016]银纳米粒子
[0017]如“银纳米粒子”中使用的术语“纳米”指,例如,小于约1,OOOnm,例如约0.5nm至约1,OOOnm,例如约Inm至约500nm,约Inm至约100nm,约Inm至约25nm或约I至约1nm的粒度。粒度指如通过TEM(透射电子显微镜)或其他合适的方法测定的金属粒子的平均直径。通常,在由本文描述的方法获得的银纳米粒子中可存在多个粒度。在实施例中,不同尺寸的银纳米粒子的存在是可接受的。
[0018]银纳米粒子可具有例如至少约5天至约I个月,约I周至约6个月,约I周至超过I年的稳定性(即存在油墨组合物中的银纳米粒子的最少沉淀或聚集时的时间段)。稳定性可使用多种方法检测,例如探测粒度的动态光散射法、使用确定过滤器孔尺寸(例如I微米)来评价过滤器上的固体的简单过滤法。
[0019]也可使用代替银纳米粒子或与银纳米粒子一起的另外的金属纳米粒子,例如Al、Au、Pt、Pd、Cu、Co、Cr、In和Ni,特别是过渡金属,例如Au、Pt、Pd、Cu、Cr、Ni和它们的混合物。此外,油墨组合物也可包含银纳米粒子复合材料或金属纳米粒子复合材料,例如Au—Ag、Ag—Cu、Ag—N1、Au—Cu、Au—N1、Au—Ag—Cu 和 Au—Ag—Pd。复合材料的各个组分可以以例如约0.01重量%至约99.9重量%,特别是约10重量%至约90重量%的量存在。
[0020]银和/或其他金属纳米粒子可由金属化合物的化学还原制得。任何合适的金属化合物可用于本文描述的方法。金属化合物的例子包括金属氧化物、金属硝酸盐、金属亚硝酸盐、金属羧酸盐、金属乙酸盐、金属碳酸盐、金属高氯酸盐、金属硫酸盐、金属氯化物、金属溴化物、金属碘化物、金属三氟乙酸盐、金属磷酸盐、金属三氟乙酸盐、金属苯甲酸盐、金属乳酸盐、金属烃基磺酸盐或它们的组合。
[0021]油墨组合物中银纳米粒子的重量百分比可为例如约10重量%至约80重量%,约30重量%至约60重量%,或约40重量%至约70重量%。
[0022]本文描述的油墨组合物含有稳定剂,所述稳定剂与银纳米粒子的表面缔合,并且在基材上形成金属特征的过程中将银纳米粒子退火之前不会被去除。稳定剂可为有机的。
[0023]在实施例中,稳定剂与银纳米粒子的表面物理或化学缔合。以此方式,银纳米粒子在液体溶液外在其上具有稳定剂。即,其上具有稳定剂的纳米粒子可从用于形成纳米粒子和稳定剂络合物的反应混合物溶液中分离和回收。因此,经稳定的纳米粒子可随后易于均匀分散于用于形成可印刷液体的溶剂中。
[0024]如本文所用,银纳米粒子与稳定剂之间的短语“物理或化学缔合”可为化学键和/或其他物理附接。化学键可采取例如共价键、氢键、配位络合物键或离子键,或不同化学键的混合物的形式。物理附接可采取例如范德华力或偶极-偶极相互作用,或不同物理附接的混合物的形式。
[0025]“有机稳定剂”中的术语“有机”指,例如,一个或多个碳原子的存在,但有机稳定剂可包含一个或多个非金属杂原子,如氮、氧、硫、硅、卤素等。有机稳定剂可为有机胺稳定剂,如美国专利N0.7,270,694中描述的那些。有机胺的例子为烷基胺,例如丁基胺、戊基胺、己基胺、庚基胺、辛基胺、壬基胺、癸基胺、十六烷基胺、i^一烷基胺、十二烷基胺、十三烷基胺、十四烧基胺、二氨基戊烧、二氨基己烧、二氨基庚烧、二氨基辛烧、二氨基壬烧、二氨基癸烧、二氨基辛烧、二丙基胺、二丁基胺、二戊基胺、二己基胺、二庚基胺、二辛基胺、二壬基胺、二癸基胺、甲基丙基胺、乙基丙基胺、丙基丁基胺、乙基丁基胺、乙基戊基胺、丙基戊基胺、
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