一种半埋金属纳米线三维导电网络型柔性电极

本发明属于柔性电子制造，具体为一种半埋金属纳米线型柔性电路制备方法及其稳定性提升方法。

背景技术：

1、随着柔性电子技术的发展，为满足时代发展需求，柔性电子器件层出不穷，柔性电极也因柔性电子器件的发展在该领域得到越来越多的应用，如：柔性显示、运动健康监测、柔性电联体等。作为柔性电子器件的基础组成部分，各种柔性电子器件都离不开柔性电极或电路。目前，柔性电极或电路的导电层主要ito、金属纳米线、金属镀层以及碳纳米材料等，上述导电层在由于柔性电极或电路受到多次弯折后会出现与基体分离或自身导电性能下降甚至丧失导电能力。显然，抗机械变形是柔性电极或电路的重要性能之一。近年来，研究者围绕提升柔性电极或电路的机械稳定性展开了大量研究。专利cn116230293a提出了一种利用化学键增强导电层与基体的结合的方式增加柔性电极的方法，并将该电极用于传感器制备，发现所制备的电极在大拉伸状态下仍能保持良好的导电性。专利cn115862930a采用pedot:pss溶液与蔗糖结合制备出可拉伸柔性透明电极，方阻为84～105ω/sq，在弯曲半径为10mm状况下，弯曲4000次，方阻变化小于5.4％，但由于采用了pedot:pss作为导电材料，制备成本偏高。

2、cn102087884a，一种基于有机聚合物和银纳米线的柔性透明导电薄膜及其制备方法。其特点是银纳米线构成的连续导电网络半埋在有机聚合物的表层，银纳米线部分表面裸露在有机聚合物表面，透明导电薄膜的导电表面由有机聚合物表面和银纳米线表面构成。先在平整表面上制备均匀分布的银纳米线导电层，然后把透明有机聚合物层布设在银纳米线层上面，形成柔性的透明导电薄膜，具有高可见光透过率、低方块电阻、结合牢固而且表面平坦的优点。

3、该专利和本发明的区别：上述参考文件的纳米线导电网络属于随机分布，本发明的导电网络是基于模版法，制备的带有3维编织态导电网络，金属纳米线具有有序编织搭接状态，而且在厚度方向比上述参考文件更大，能够更好地控制导电网络里面的金属纳米线半埋状态特征的调控。上述文件中的透光率、低方阻结合牢固等特性，在本发明中的3维编织态金属纳米线网络结构，能够更有效调控。

技术实现思路

1、本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种半埋金属纳米线三维导电网络型柔性电极。本发明的技术方案如下：

2、一种半埋金属纳米线三维导电网络型柔性电极，其包括：空气层(1)、三维金属纳米线网络(2)及柔性基体(3)，其中三维金属纳米线网络(2)设置在空气层(1)和柔性基体(3)之间，所述三维金属纳米线网络(2)靠下表面部分埋于柔性基体(3)中，靠上表面部分露于空气中，形成半埋状态，空气层(1)用于使金属纳米线裸露，获得良好的导电性能，三维金属纳米线网络(2)用于作为导电介质，及柔性基体(3)用于作为柔性电极的柔性存底。

3、进一步的，所述三维金属纳米线网络(2)的金属纳米线为铜、银、金、铁纳米线或碳纳米管在内的一维纳米材料的一种，所述柔性基体(3)材料为硅橡胶或水凝胶中的一种。

4、进一步的，所述柔性基体(3)是采用滴涂、旋涂工艺制备出的表面为平面或具有表面微结构的柔性薄膜。

5、进一步的，所述三维金属纳米线网络(2)结构是采用控制表面微流方法制备出的具有三维空间间隙的金属纳米线网络。

6、进一步的，所述三维金属纳米线网络(2)采用四棱锥微腔或四棱锥台微腔阵列或近似结构。

7、进一步的，所述四棱锥微腔或四棱锥台微腔底边边长与所对应的金属纳米线长度的关系式为：a/2<l<2a，a表示正四棱锥台底边长。

8、进一步的，所述表面微结构的柔性薄膜具体制造包括：采用微纳加工工艺制备，模板材质为硅材料，也可由上述所制备的模板作为原始模板，采用多次转印工艺，制备出具有上述表面微结构的模板。

9、进一步的，所述微纳加工工艺包括以下步骤：步骤一、将表面具有氧化层的硅片通过光刻、显影以及经boe刻蚀后，在腐蚀掉未掩盖的正方形氧化硅层；接着利用碱性刻蚀液对硅片进行各项异性刻蚀，制备得到低粗糙度高表面质量的微米级内凹正四棱锥或台腔结构；步骤二，在步骤一中制备好的硅模板上喷涂脱模剂，以备可控制备三维金属纳米线网络所用。

10、进一步的，所述多次转印工艺具体包括：

11、将制备的硅模板，将柔性聚合物材料或凝胶预凝物采用滴涂、刮涂或旋涂方式涂覆在硅模板上，加热固化，揭下具有与硅模板互补表面微结构的柔性薄膜，再对所制得的柔性薄膜进行表面处理，然后次涂覆柔性聚合物预凝物，固化，得到与硅模板相同表面微结构。

12、进一步的，所述柔性聚合物材料为pdms、ecoflex或水凝胶中的一种。本发明的优点及有益效果如下：

13、本发明的一种半埋式金属纳米线导电网络的柔性导电薄膜，可有效提升电极或电路的机械稳定性，通过半埋式金属纳米线本发明所述的方法操作步骤简单，而且实施条件要求低，满足生产成本等要求，可利用硅片模板批量制备柔性薄膜。

14、本发明的导电网络是基于模版法，制备的带有3维编织态导电网络，金属纳米线具有有序编织搭接状态，而且在厚度方向比上述参考文件更大，能够更好地控制导电网络里面的金属纳米线半埋状态特征的调控。在透光率、低方阻结合牢固等特性方面，在本发明中的3维编织态金属纳米线网络结构，能够更有效调控。

技术特征：

1.一种半埋金属纳米线三维导电网络型柔性电极，其特征在于，包括：空气层(1)、三维金属纳米线网络(2)及柔性基体(3)，其中三维金属纳米线网络(2)设置在空气层(1)和柔性基体(3)之间，所述三维金属纳米线网络(2)靠下表面部分埋于柔性基体(3)中，靠上表面部分露于空气中，形成半埋状态，空气层(1)用于使金属纳米线裸露，获得良好的导电性能，三维金属纳米线网络(2)用于作为导电介质，及柔性基体(3)用于作为柔性电极的柔性存底。

2.根据权利要求1所述的半埋金属纳米线三维导电网络型柔性电极，其特征在于，所述三维金属纳米线网络(2)的金属纳米线为铜、银、金、铁纳米线或碳纳米管在内的一维纳米材料的一种，所述柔性基体(3)材料为硅橡胶或水凝胶中的一种。

3.根据权利要求1所述的半埋金属纳米线三维导电网络型柔性电极，其特征在于，所述柔性基体(3)是采用滴涂、旋涂工艺制备出的表面为平面或具有表面微结构的柔性薄膜。

4.根据权利要求1所述的半埋金属纳米线三维导电网络型柔性电极，其特征在于，所述三维金属纳米线网络(2)结构是采用控制表面微流方法制备出的具有三维空间间隙的金属纳米线网络。

5.根据权利要求1所述的半埋金属纳米线三维导电网络型柔性电极，其特征在于，所述三维金属纳米线网络(2)采用四棱锥微腔或四棱锥台微腔阵列或近似结构。

6.根据权利要求5所述的半埋金属纳米线三维导电网络型柔性电极，其特征在于，所述四棱锥微腔或四棱锥台微腔底边边长与所对应的金属纳米线长度的关系式为：a/2<l<2a，a表示正四棱锥台底边长。

7.根据权利要求3所述的半埋金属纳米线三维导电网络型柔性电极，其特征在于，所述表面微结构的柔性薄膜具体制造包括：采用微纳加工工艺制备，模板材质为硅材料，也可由上述所制备的模板作为原始模板，采用多次转印工艺，制备出具有上述表面微结构的模板。

8.根据权利要求7所述的半埋金属纳米线三维导电网络型柔性电极，其特征在于，所述微纳加工工艺包括以下步骤：步骤一、将表面具有氧化层的硅片通过光刻、显影以及经boe刻蚀后，在腐蚀掉未掩盖的正方形氧化硅层；接着利用碱性刻蚀液对硅片进行各项异性刻蚀，制备得到低粗糙度高表面质量的微米级内凹正四棱锥或台腔结构；步骤二，在步骤一中制备好的硅模板上喷涂脱模剂，以备可控制备三维金属纳米线网络所用。

9.根据权利要求7所述的半埋金属纳米线三维导电网络型柔性电极，其特征在于，所述多次转印工艺具体包括：

10.根据权利要求9所述的半埋金属纳米线三维导电网络型柔性电极，其特征在于，所述柔性聚合物材料为pdms、ecoflex或水凝胶中的一种。

技术总结本发明请求保护一半埋金属纳米线三维导电网络型柔性电极，属于柔性电子制造技术领域，金属纳米线形成三维导电网络结构，该结构的下半部分埋于高弹性柔性基体中，形成金属纳米线三维导电网络结构半埋于柔性基体的柔性电极。本发明是采用一种金属纳米线三维导电网络结构半埋式制备，以提柔性电极的机械稳定性，用于解决导电层在柔性基体表面的附着稳定性、以及电极在循环变形中的稳定性；本发明所述的方法操作步骤简单，而且实施条件研究较低，满足生产成本等要求，同时也满足批量生产要求。技术研发人员：赵聪,卢毅,庞宇,王元发受保护的技术使用者：重庆邮电大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29