摘要


采用飞秒激光直写技术在预涂覆廉价铜离子涂层的柔性基体上通过激光还原得到纳米铜颗粒并原位连接形成导电结构，成功制得了具有优良导电性能的铜微电极。研究了不同激光功率及扫描速率对微电极形貌结构、导电性能的影响。结果表明：在不损伤基体的条件下，随着辐照激光能量密度增大，铜微电极的导电性能明显提高；当激光功率为1210 mW、扫描速度为1 mm/s时，所制备的微电极的成分主要为铜，导电性能较好，方阻达到2.74Ω·sq-1.该研究为发展低成本、高效率的柔性电极制造提供了一种新技术，并拓宽了纳米铜材料在电子行业的应用范围。


1引言


柔性电子器件作为一种新兴的电子器件，相较于传统的电子器件具有柔性化、成本低廉的优势，在信息电子、能源储存等领域具有广阔的应用前景。贵金属纳米材料因兼具良好的电学性能和力学性能而成为柔性电极的潜在应用材料。此外，铜由于其低廉的成本和优良的导电、导热性能而受到广泛关注，但不稳定、易氧化的缺点制约了其在电子器件中的进一步应用。研究铜颗粒连接和导电机理对于从新角度设计铜油墨和柔性电极的制造工艺就显得尤为重要。


激光直写技术兼具直写技术和激光加工技术的优点，较光刻技术、丝网印刷、喷墨打印等传统加工技术而言具有成本低、操作简单、加工精度高的优点，在柔性电子器件的制造中显示出巨大的潜力。飞秒激光相较于其他光源，具有脉冲持续时间超短、平均功率低但峰值功率大的特点，在制备金属微纳结构方面具有广阔的应用前景。飞秒激光聚焦可使激光只在焦点附近极小的区域内达到多光子吸收阈值，并且其在与材料作用时，非线性效应占主导，热作用非常小。基于此，采用飞秒激光可在尽量不产生热影响区的情况下，在柔性基体上实现微结构的便捷、可选区精细加工。Arakane等采用飞秒激光诱导还原氧化铜纳米颗粒成功制备了富铜微结构，并通过激光直写技术实现了图案化加工。Bai等直接用半导体激光还原铜离子薄膜，在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）上得到了测量手指弯曲的铜微电极。Fan等通过调控飞秒激光脉冲能量、脉冲输入数及脉冲输入方式等在铜表面制备出了不同形貌的微结构。Liu等通过调控飞秒激光的扫描速度及扫描间隔，在铜基板表面制备得到了一系列具有结构色及超疏水性的多功能表面。Cheng等报道了飞秒激光脉冲烧结铜纳米颗粒的理论和实验结果。可见，采用飞秒激光对铜离子进行还原得到富铜颗粒后，可通过对激光参数的调节实现颗粒间的连接，获得良好的导电性。然而，目前关于飞秒激光辐照下铜的还原机理以及激光参数对铜微电极导电性能的影响规律等还未明晰。


本文采用飞秒激光对预置于柔性基体上的铜离子涂层进行激光直写，通过原位还原并烧结连接得到网络状金属铜，完成了导电结构的一步制造。研究了激光参数对所形成的铜微电极的物相成分、形貌结构及导电性能的影响。


2实验部分


2.1原料及试剂


实验所需溶液由三水硝酸铜【Cu（NO3）23H2O]、聚乙烯吡咯皖酮（PVP）、聚乙二醇（PEG）构成。所用化学药品均为分析纯，全部购买自国药集团化学试剂有限公司。实验用水为去离子水。


2.2仪器设备


所用激光器为蓝宝石固体飞秒激光器（Coherent,美国），其输出激光的波长为800nm,重复频率为1kHz,脉宽为50fs;采用光学显微镜【OM,CarlZeiss（AxioScope.A1），德国】、扫描电子显微镜（SEM,MerlinCompact,德国）观察结构的形貌；通过X射线衍射分析仪（XRD,RigakuD/max,日本）表征结构的成分，XRD的测试条件为铜靶，电压为20kV,电流为200mA,扫描速度为8（°）/min,扫描范围为30°——80°;通过数字源表（Keithley,2400,美国）测量所得结构的电学性能。


2.3实验原理及步骤


本实验所用原料为PEG、PVP及Cu（NO3）2