中科院苏州纳米所袁伟博士《Nano Research》：基于图形化银纳米线的高分辨/大面积可拉伸电路板的制备和应用

【背景简介】

银纳米线（AgNWs）因其良好的导电性，高长径比（可以在弹性体基质中形成稳定的导电网络）以及优异的机械柔韧性等特点，在可拉伸纳米复合材料应用中展示了巨大的性能优势。然而目前对于基于AgNWs可拉伸复合电极的研究，主要面临以下两个关键问题：一、如何在弹性基质中实现高长径比AgNWs导电网络的均匀分布；二、如何简单高效地实现高分辨和大面积可拉伸AgNWs复合材料的图形化。

【成果简介】

针对以上两个问题，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所袁伟博士等在前期的工作基础上（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 24074−24085，J. Mater. Chem. C, 2020, 8, 16798—16807，ACS Appl. Electron. Mater. 2021, 3, 1747−1757），提出利用丝网印刷结合真空抽滤技术实现了高分辨率（50 μm）银纳米线（AgNWs）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）图形化可拉伸电极的制备，通过改变AgNWs的单位面积沉积量可以来精确调控复合电极的电导率，当AgNWs单位面积沉积量为2.0 mg/cm2时，复合电极的电导率可以达到1.07 × 104 S/cm。此外，作者还系统地评估了不同AgNWs的单位面积沉积量下复合电极的电学均匀性和拉伸电学性能的变化，最后成功应用在大尺寸可拉伸LED发光电路和高密度肌电电极上面。这种高分辨、大尺寸的AgNWs/ PDMS复合电极技术的开发将进一步促进可拉伸穿戴电子以及人体表皮生理信号采集等领域的发展。相关工作以：“ High-resolution and large-size stretchable electrodes based on patterned silver nanowires composites”为题发表在《 Nano Research》上（文章DOI：10.1007/s12274-022-4088-x）。

【高分辨图形化可拉伸复合电极的制备】

具体制备过程如图一所示，简要步骤大致如下：（1）第一步，微孔滤膜表面的PDMS图形化丝网印刷；（2）第二步，将AgNWs真空抽滤在图形化微孔滤膜上；（3）第三步，在图形化银纳米线薄膜上浇筑液态PDMS；（4）固化后从微孔滤膜上揭开，即可得到图形化可拉伸电极。

图一：AgNWs/PDMS图形化可拉伸电极的制备流程

【复合电极的微观形貌、图形化分辨率的表征】

得益于微孔滤膜表面印刷的PDMS固化后很好地覆盖住了微孔滤膜的孔洞，在其表面形成了一层致密的薄膜，使得沉积AgNWs和揭开PDMS后图形边缘都保持得非常整齐，而且可以很清楚地看出AgNWs无序排列嵌在PDMS弹性体内部，很好地形成了三维导电网络通路，复合电极的图形化分辨率可以达到50 μm。

图二：复合电极表面形貌和图形化分辨率

【复合电极电导率的精确调控】

可以通过改变AgNWs的沉积量来调控复合电极的电导率，当AgNWs沉积量为2.0 mg/cm 2时，复合电极的电导率可以达到1.07 × 10 4 S/cm。

图三：单位面积不同沉积量对应的复合电极的厚度和电学特性

【不同AgNWs单位面积沉积量对应复合电极的拉伸电学性能对比及动态实时分析】

作者针对不同单位面积AgNWs沉积量制备的复合电极进行了拉伸电学性能的表征，发现随着AgNWs的沉积量增加，拉伸电学稳定性先变好，后变差，作者提出了一个可能的潜在模型，当AgNWs沉积量较少的时候，形成的网络导电通路就比较少，在拉伸过程中，AgNWs之间容易发生滑移，从而造成电极电学性能的急剧下降，相反，当AgNWs的沉积量过多的时候，形成的网络导电通路虽然很多，但由于整个导电网络过于密集，导致弹性体PDMS无法很好地渗透到导电网络空隙里面，因此在拉伸过程中，复合电极很容易出现裂纹，从而导致电阻的急剧上升。因此，当AgNWs沉积量保持合适的疏密度时，弹性体PDMS才能很好地渗透到导电网络空隙中，在拉伸过程中，虽然部分AgNWs之间会发生滑移，但大部分还维持着良好的导电网络通路，因此，在拉伸过程中，电极的电学性能就相对稳定。

图四：不同沉积密度复合电极拉伸电学特性和原位形貌观察

【高分辨、大面积可拉伸复合电极的应用】

作者将制备的电极应用于可拉伸LED发光电路和18通道贴表皮高密度肌电采集阵列电极中。

图五：大尺寸复杂可拉伸电路板的制备和阵列LED器件的集成。

图六：高密度肌电电极的制备及18通道肌电采集图谱。

【总结】

研究者以图形化银纳米线可拉伸电极为研究重点，在前期的工作的基础上，利用丝网印刷结合真空抽滤技术实现了图形化银纳米线高分辨和大面积可拉伸电极的制备，通过改变银纳米线的单位面积沉积量可以来精确调控复合电极的电导率，此外，研究者还系统地评估了不同银纳米线的单位面积沉积量下复合电极的电学均匀性和拉伸电学性能的变化，并成功地应用在大面积可拉伸LED发光电路和18通道高密度表皮肌电采集电极中。

中科院苏州纳米所硕士研究生林勇和中科院深圳先进研究院李青松博士为本工作共同第一作者，通讯作者为中科院苏州纳米所袁伟博士和崔铮研究员，本工作还得到中科院深圳先进研究院刘志远研究员在肌电信号采集方面的大力帮助。

原文链接：

https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-022-4088-x

来源：高分子科学前沿

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