一种基于花状纳米金结构的柔性电极及其制备方法与流程

本发明涉及电子材料
技术领域：
，具体涉及一种基于花状纳米金结构的柔性电极及其制备方法。
背景技术：
随着电子信息技术的发展，电子设备与电子器件正在朝着集成化、轻便化、微型化和柔性化等方向发展。为了满足电子技术的发展需求，制备出具有柔性和可拉伸功能的新型电极是非常有必要的。传统上常以锡铅铜等金属焊料为导体实现电子元器件的导电互连，但随着电子器件轻便化与柔性化等需求以及无铅化的环保要求，金属焊料由于加工温度高、硬度大、铅污染等缺点难以满足现代柔性电子设备的制作工艺要求。因此，柔性电极的研发与应用已成为当前的研究热点。现今，大多数柔性电极存在的主要问题是机械性能(耐弯折性、抗拉伸性)和导电性能不佳。制备柔性导电材料的关键在于将导电组分与柔性的聚合物基体有效的结合，使最终得到的材料在多次弯折或多次拉伸的情况下，电学性能不会出现疲劳或显著下降。近年来，碳纳米管、石墨烯、导电高分子材料以及金属纳米材料相继被用作柔性导电材料的制备，并应用于多种柔性的电子设备中。其中，纳米金作为一种新型的纳米材料，优异的柔韧性和具备高的电导率，使其在柔性导电材料的制备中具有很广阔的应用前景。然而基于纳米金的柔性导电材料亦存在耐弯折性和抗拉伸性差等问题，限制了它们的广泛应用。技术实现要素：为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种兼具优异导电性、抗拉伸性和耐弯折性的基于花状纳米金结构的柔性电极及其制备方法。该方法通过电化学沉积的方法在经过修饰的氧化铟锡(ito)玻璃上沉积出一层具有花状形貌结构的纳米金，并将这层纳米金导电层固化在pdms柔性基底上，制备出具有花状结构纳米金的新型柔性电极。此种柔性电极具有较低的方阻，并且在弯曲多次和拉伸多次后仍能保持良好的导电性。为实现上述目的，本发明柔性电极是在pdms柔性基底上嵌附一层花状结构的纳米金导电层。该柔性电极制备方法如下：(1)将ito玻璃层层自组装，在组装好的ito玻璃上采用计时电流方法进行电化学沉积金，经过电化学沉积后，一层金色花状纳米金将沉积在ito玻璃上，称其为ito-au。所用电解液为kaucl4和h2so4混合溶液，参比电极为ag/agcl电极，对电极为铂丝，工作电极为组装好的ito玻璃；ito玻璃在组装之前需要进行清洗。清洗过程是将ito玻璃分别用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗20～40分钟。清洗后放入臭氧清洗机里进行表面羟基化。然后再将ito玻璃在pdda(聚二烯丙基二甲基氯化铵)和pss(聚苯乙烯磺酸钠)溶液中进行层层自组装。(2)将ito-au浸入到带固化剂的pdms(聚二甲基硅氧烷)溶液中，加热固化，将固化好的pdms柔性基底从ito-au上揭下，金黄色花状纳米金附着在pdms柔性基底上，即为基于花状纳米金结构的柔性电极pdms-au。优选的，所述步骤(1)中自组装层数为6～10层。由于纳米金的沉积形貌与沉积电位、沉积时间和电解液的浓度密切相关，因此，需综合考虑这几个因素来控制纳米金电极的花状形貌。优选的，所述步骤(1)中电化学沉积时间为400～1200s，电化学沉积设定的电位范围为(-0.2)～(-0.3)v。合适的电解液浓度会使金沉积的更加致密，同时也会使揭下来的纳米金更加完整，优选的，所述步骤(1)中kaucl4(0.01～0.05mol/l)和h2so4(0.1～0.5mol/l)。优选的，所述步骤(2)中pdms原液与固化剂的体积比为10：1。适宜的固化温度和时间会让纳米金和pdms结合的更加牢固，优选的，所述固化温度为50～100℃，固化时间为2～10小时。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种导电性能优异、抗拉伸性和耐弯折性良好、轻便耐用的柔性电极。该电极制备工艺简单，易实现量产。本发明的关键点在于在ito玻璃上的电化学沉积具有花状结构的纳米金。纳米金花有团簇聚集的倾向，致使相邻几个团簇间距较小，有利于电子的传输，进而降低电极电阻。良好的导电性能是制备高灵敏度电化学传感器的保证。而本发明采用的制备纳米金导电层的电化学沉积方法，其最大优势在于简单易行、重复性好，不需要合成制备，克服了合成和分离纳米金中遇到的困难，同时能解决纳米金电极在电化学检测时金易脱落的难题。附图说明图1是本发明工艺流程图；图2是本发明制备出的柔性电极表面纳米金导电层的sem图像；图3是本发明实施例柔性电极耐弯曲性试验测试结果；图4是本发明实施例柔性电极抗拉伸性试验测试结果；图5是本发明利用制备出的柔性导电材料设计的柔性电路图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但本发明不以任何形式受限于实施例内容。实施例中所述实验方法如无特殊说明，均为常规方法；如无特殊说明，所述实验试剂和材料，均可从商业途径获得。实施例1(1)用无水乙醇超声清洗ito玻璃，再置于紫外臭氧清洗机中30分钟，然后将清洗好的ito的导电面朝上放置，放入5mg/ml的pdda溶液中浸泡5min，取出后，使用蒸馏水少量多次进行清洗，然后使用氮气吹干。(2)使用同样的步骤，对组装有pdda层的ito玻璃进行pss组装。完成后，可制得一层(pdda/pss)自组装层。重复上述的过程6次，可制备出带有(pdda/pss)6多层自组装膜的ito玻璃。最后用氮气封装在培养皿中待用。(3)将组装好的ito玻璃上沉积花状纳米金，所采用的方法为计时电流法，参比电极为ag/agcl电极，对电极为铂丝，工作电极为组装好的ito玻璃，电解液为将kaucl4(0.01mol/l)和h2so4(0.5mol/l)混合液。采用计时电流法，固定沉积电压为-0.3v，采用400s的沉积时间，进行纳米金沉积。通过电化学沉积，在ito玻璃表面制备出一层金黄色的纳米金导电层，通过扫描电镜可以观察到其花状微观形貌结构。将沉积金后的ito玻璃置入pdms溶液中，放入烘箱中固化，固化温度为60℃，固化时间为10小时。将固化好的pdms从ito玻璃上揭下，花状纳米金薄膜即会固定在pdms基底上，通过扫描镜可观察到pdms表面纳米金导电层的花状结构。所获得的带有花状结构纳米金的pdms膜，即可作为所需要的基于花状结构纳米金柔性电极。实施例2(1)用无水乙醇超声清洗ito玻璃，再置于紫外臭氧清洗机中30分钟，然后将清洗好的ito的导电面朝上放置，放入5mg/ml的pdda溶液中浸泡5min，取出后，使用蒸馏水少量多次进行清洗，然后使用氮气吹干。(2)使用同样的步骤，对组装有pdda层的ito玻璃进行pss组装。完成后，可制得一层(pdda/pss)自组装层。重复上述的过程6次，可制备出带有(pdda/pss)6多层自组装膜的ito玻璃，最后用氮气封装在培养皿中待用。将组装好的ito玻璃上沉积花状纳米金，所采用的方法为计时电流法，参比电极为ag/agcl电极，对电极为铂丝，工作电极为组装好的ito玻璃，电解液为kaucl4(0.01mol/l)和h2so4(0.5mol/l)混合溶液，设定电位为-0.3v，沉积时间为800s。将沉积金后的ito玻璃置入pdms溶液中，放入烘箱中固化，固化温度为60℃，固化时间为5小时。将固化好的pdms从ito玻璃上揭离，花状纳米金薄膜即会固定在pdms基底上，所获得的带有花状结构纳米金的pdms膜，即为基于花状结构纳米金柔性电极。实施例3(1)用无水乙醇超声清洗ito玻璃，再置于紫外臭氧清洗机中30分钟，然后将清洗好的ito的导电面朝上放置，放入5mg/ml的pdda溶液中浸泡5min，取出后，使用蒸馏水少量多次进行清洗，然后使用氮气吹干。(2)使用同样的步骤，对组装有pdda层的ito玻璃进行pss组装。完成后，可制得一层(pdda/pss)自组装层。重复上述的过程6次，可制备出带有(pdda/pss)6多层自组装膜的ito玻璃，最后用氮气封装在培养皿中待用。将组装好的ito玻璃上沉积花状纳米金，所采用的方法为计时电流法，参比电极为ag/agcl电极，对电极为铂丝，工作电极为组装好的ito玻璃，电解液为kaucl4(0.01mol/l)和h2so4(0.5mol/l)混合溶液，设定电位为-0.3v，沉积时间为1200s。将沉积金后的ito玻璃置入pdms溶液中，放入烘箱中固化，固化温度为70℃，固化时间为8小时。将固化好的pdms从ito玻璃上揭下，花状纳米金薄膜即会固定在pdms基底上，所获得的带有花状结构纳米金的pdms膜，即可作为所需要的基于花状结构纳米金柔性电极。实施例4(1)用无水乙醇超声清洗ito玻璃，再置于紫外臭氧清洗机中30分钟，然后将清洗好的ito的导电面朝上放置，放入10mg/ml的pdda溶液中浸泡5min，取出后，使用蒸馏水少量多次进行清洗，然后使用氮气吹干。(2)使用同样的步骤，对组装有pdda层的ito玻璃进行pss组装。完成后，可制得一层(pdda/pss)自组装层。重复上述的过程8次，可制备出带有(pdda/pss)8多层自组装膜的ito玻璃，最后用氮气封装在培养皿中待用。将组装好的ito玻璃上沉积花状纳米金，所采用的方法为计时电流法，参比电极为ag/agcl电极，对电极为铂丝，工作电极为组装好的ito玻璃，电解液为kaucl4(5mmol/l)和h2so4(0.2mol/l)混合溶液，设定电位为-0.2v，沉积时间为800s。将沉积金后的ito玻璃置入pdms溶液中，放入烘箱中固化，固化温度为80℃，固化时间为8小时。将固化好的pdms从ito玻璃上揭下，花状纳米金薄膜即会固定在pdms基底上，所获得的带有花状结构纳米金的pdms膜，即可作为所需要的基于花状结构纳米金柔性电极。实施例5(1)用无水乙醇超声清洗ito玻璃，再置于紫外臭氧清洗机中30分钟，然后将清洗好的ito的导电面朝上放置，放入10mg/ml的pdda溶液中浸泡5min，取出后，使用蒸馏水少量多次进行清洗，然后使用氮气吹干。(2)使用同样的步骤，对组装有pdda层的ito玻璃进行pss组装。完成后，可制得一层(pdda/pss)自组装层。重复上述的过程10次，可制备出带有(pdda/pss)10多层自组装膜的ito玻璃，最后用氮气封装在培养皿中待用。将组装好的ito玻璃上沉积花状纳米金，所采用的方法为计时电流法，参比电极为ag/agcl电极，对电极为铂丝，工作电极为组装好的ito玻璃，电解液为kaucl4(0.01mol/l)和h2so4(0.5mol/l)混合溶液，设定电位为-0.3v，沉积时间为800s。将沉积金后的ito玻璃置入pdms溶液中，放入烘箱中固化，固化温度为50℃，固化时间为10小时。将固化好的pdms从ito玻璃上揭下，花状纳米金薄膜即会固定在pdms基底上，所获得的带有花状结构纳米金的pdms膜，即可作为所需要的基于花状结构纳米金柔性电极。对实施例1-5得到的样品进行性能测试，经过测试，实施例1-3样品的导电性、弯折性和拉伸性的参数如表1、图3和图4。表1：柔性电极的导电性能样品实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5方阻(ohm/sq)9.7589.0804.8224.5643.942从表1中数据可知，该柔性电极的方块电阻随着沉积金时间的增大而减小。图3为柔性电极耐300次弯曲后电阻的变化，图4为柔性电极耐200次拉伸后电阻的变化，从图3和图4可看出该柔性电极耐弯折性和抗拉伸性也随着沉积时间的增大而有所提升。图5是用制备出的柔性导电材料设计的电路图，从图中可以看出该导电材料在弯折的情况下，导电性依然良好。以上所述仅为本发明的实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。当前第1页12