предметів
реферат
Описано простий метод отримання високоефективних прозорих електродів із наночастинками срібла з підвищеним вмістом нікелю (Ag NW) на гнучкій підкладці. Модифікований метод гальваніки отримав назву армування нікелевим містком Ag NWs, що забезпечує новий спосіб поліпшення вільних з'єднань в оголених мережах Ag NW. Погодостійкість електродів Ag NW зменшується з більш ніж 2000 Ом кв -1 до 9,4 Ом кв -1 з чудовою тепловою однорідністю після процесу гальваніки протягом 10 с. Прозорі плівки з поліпшеним вмістом нікелю Ag NW застосовуються до гнучких нагрівачів з хорошою термостійкістю (165 ° C протягом 2 год) та механічною гнучкістю (3500 циклів з радіусом вигину 2,5 мм) після процесу механічного згинання. Механізм росту нікелю також підтверджується тим фактом, що нікелеве гальванічне покриття Ag NW поважало закони Фарадея.
В останні десятиліття низькорозмірні матеріали, такі як наночастинки, нановолокна (СЗ) та графен, демонструють відмінні оптичні, електричні, термічні та механічні властивості в різних областях 1, 2, 3, 4, 5. Серед різних наноматеріалів наноклітини срібла (Ag NW) мають велике значення для дослідників завдяки їх високій провідності (6, 3 × 107 S m-1) 6, чудовим механічним властивостям та легким синтетичним шляхам, що дають потенціалу нановолокна можливість замінити комерційний оксид олова індію (ITO) 7. На додаток до успішного застосування в оптоелектронних пристроях (наприклад, прозорих електродах) та датчиках, мережі Ag NW використовуються в різних областях, таких як сонячні елементи, прозорі нагрівачі та високопродуктивні пристрої 8, 9, 10, 11 12, які потребують хороших компонентів надійність при сильних струмах. і високих температурах.
Гальванічне покриття в основному використовується для захисту чутливих до навколишнього середовища матеріалів. За допомогою традиційного методу гальваніки сітки Ag NW можуть бути вибірково покриті, таким чином запобігаючи небажаному покриттю інших ділянок. Це гальванічне покриття може покращити взаємозв'язки, які є дуже слабкими. У цьому дослідженні металевим нікелем (Ni) було обрано матеріал для гальванічного покриття через його хороші фізико-механічні властивості. Завдяки процесу гальваніки можна створити високопродуктивні Ni-N мережі з поліпшеним Ni. Щоб забезпечити надійність високопродуктивної мережі Ni N-підсиленого Ag, необхідно визначити механізм, за допомогою якого іони Ni покращують з'єднання нановолокна та довгострокову поведінку служби, такі як високотемпературна електроміграція та зв'язок між Ag NW.
Результати і обговорення
Виробництво та цинкування прозорої фольги Ag NW
На рисунку 1 показано весь процес виробництва прозорих плівок Ni N. Ag NW з високим співвідношенням сторін (довжина 80 мкм і діаметр 80 нм) був синтезований модифікованим поліольним методом і диспергований у деіонізованій (DI) воді. Потім розчин Ag NW пропускали через нітроцелюлозну мембрану через систему вакуумної фільтрації, як показано на фіг. Після фільтрації сітки Ag NW покривали мембрану, а потім переносили на плівку з поліетилентерефталату (ПЕТ) за допомогою ламінатора (рис. Lb). Прозорість необроблених плівок становила 90%, а опір листа був вище 2000 Ом кв-1. Після нагрівання при температурі 50 ° C протягом 30 хвилин за допомогою пластини (рис. 1в), опір плівки плівок Ag NW зменшився до менш ніж 200 Q кв.
Схематичне зображення виробництва прозорого нагрівача. a ) Вакуумна фільтрація. b ) Процес передачі тиску. c ) Процес нагрівання. d ) СЕМ-зображення нагрітої мережі Ag NW та умови її підключення. ( e
g ) Ni гальванічне покриття. h ) SEM-зображення гальванічно покритої мережі Ag NW та умови її підключення.
Повнорозмірне зображення
Однак мережі з нагріванням Ag NW протягом тривалого часу не могли передавати високі струми при високих температурах, особливо при використанні в гнучких обігрівачах та високопродуктивних пристроях. Ag NW мають полігональні перерізи з гострими краями і, як видно на фіг. 1d, вони просто складаються разом, що призводить до поганої провідності плівки. Для подальшого поліпшення електричних властивостей плівок Ag NW та захисту нанопроволок від електроміграції на мережах Ag NW була оцинкована тонка оболонка Ni. Блок-схема процесу гальванічного покриття показана на фіг. 1e - g. Плівку з ПЕТ із наклеєною Ag NW, яку називають плівкою Ag NW, розрізали на купони розміром 4 х 3 см. Смужки Cu наклеювали на підготовлену плівку Ag NW для нанесення в якості катода для процесу гальванічного покриття. Система гальванічного покриття складалася з анода Ni, катода на базі Ag NW, гальванічного розчину та джерела живлення постійного струму (постійного струму), як показано на фіг. Параметри гальванічного покриття становили 100 мА (0,2 А дм −2) та 10 с. Після процесу гальваніки Ni опір листів Ni N, покритих Ni, зменшився до 9,4 Ом кв-1, прозорість зменшилася до 80%, а колір плівки змінився від світло-сірого до темно-сірого.
Мікроструктура Ni електролітованої плівки Ag NWs показана на фіг. 1 год, що Ni заповнив прогалини між Ag NW, що створило тісний зв'язок між окремими Ag NW. Це збільшило провідність плівок Ag NW. Крім того, з'єднання між Ag NW змінилося з нещільного з'єднання на герметичне через процес гальванізації Ni. Крім того, із осадженням атомів Ni NW стали шорсткими, а їх поверхня стала шорсткою. Зображення плівки з допомогою просвічувальної електронної мікроскопії (ТЕМ) показало, що на гладкій поверхні кожного Ag NW присутнє товсте покриття (рис. Sla) та аналіз дисперсійної рентгенівської спектроскопії (EDS), показаний на рис. підтвердив, що були присутні лише Ni та Ag. Було зроблено висновок, що мережа Ag NW з'єднана і покрита тонким шаром Ni, що, як очікується, покращує провідність та антиелектромагнітні властивості.
Продуктивність прозорих нагрівачів
Розподіл тепла ( a ) голі Ag NW та ( b ) Ni-електроди, підсилені Ni. Підсумковий виступ ( c ) голі Ag NW і ( d ) Ni-підвищений Ag NW. Вбудовані зображення в ( a, b ) - це інфрачервоні зображення електродів під постійним прикладеним струмом.
Повнорозмірне зображення
Для вивчення теплової та електричної стабільності оголених та армованих Ni електродами Ag NW електроди на зразки подають постійний струм протягом 2 годин, як показано на фіг. 3а, б. Голий електрод Ag NW продемонстрував хорошу стабільність при 75 ° C з легким коливанням до 5 хв. Однак температура раптово впала до 68 ° C через 5 хвилин, і ця температура потім підтримувалася до 12 хвилин, коли зразок остаточно розпався через нестабільність наноструктур при відносно високих температурах для тривалого відпалу 14. Перепади температури від 75 ° C до 68 ° C пояснюються відпалом Ag NW у середовищі джоулевого нагрівання 27, оскільки відпал може призвести до зменшення електричного опору та загальної потужності. На відміну від оголеного електрода Ag NW, покритий електрод підтримував температуру 165 ° C зі стабільним електричним опором під час випробування. Отже, покриття Ni, безсумнівно, покращило стійкість мереж Ag NW набагато вище рівня оголеної мережі Ag NW в суворих випробувальних умовах.
Довготривала стабільність праці ( a ) голі Ag NW і ( b ) Ni-підвищений Ag NW.
Повнорозмірне зображення
a ) Випробування на вигин для визначення механічної стійкості оголеного Ag NW та Ni армованого Ag NW. ( b ) Зміна температури нагрівача під час циклів згинання.
Повнорозмірне зображення
Покращений механізм склеювання покриття
Зображення SEM ( a ) голі Ag NW і ( b ) Ag NW з нікельованим покриттям. Схема Ni-іонного мостового механізму зчеплення для X-з'єднань ( c ) та Y ( d ).
Повнорозмірне зображення
Нещодавно додане покриття Ni значно збільшило провідність плівок Ag NW, але також зменшило оптичні характеристики. Фіг. S2 показує криві УФ-спектрів спектру прозорих плівок Ag NW до та після гальванічного покриття. Для оголеної плівки на основі NN Ag, піки поверхневого плазмонного резонансу Ag NW з'явились при 354 нм та 396 нм, що відповідає режиму позаквадрупольного резонансу та позаплоскості резонансу, 30, 31. Навпаки, плазмонні резонанси після нанесення Ni на поверхню Ag NWs. Це спостереження відповідало висновкам щодо наночастинок Ag-Ni 32. Існувало дві можливі причини спостережуваного зниження прозорості. По-перше, прозорість плівок ПЗ зазвичай розуміється як функція відсотка "порожнин" між мережею Ag NW. Світло проходило крізь прозорі підкладки без перешкод Ag NW у зоні порожнечі. Після гальванічного покриву площа порожнини зменшувалась із збільшенням товщини СЗ, що призводило до зменшення прозорості 23. Інша причина полягає в тому, що металізоване покриття Ni після гальванічного покриття збільшувало шорсткість СЗ, що спричиняло розгалуження або поглинання більше падаючого світла. .
Механізм росту Ni Shell
Згідно з теоріями гальванічного покриття, кількість Ni, що осідає на катоді Ag NW, була пропорційна добутку струму та часу 34 наступним чином:
$$ m = 1, 095 разів у $
де m - кількість Ni, що осідає на катоді в грамах, I - електролітичний струм в амперах, t - час гальваніки в годинах, а - коефіцієнт струму. Константа (1, 095) в грамах за ампер-годину обчислюється із законів Фарадея. Це рівняння показує, що на кінцевий продукт впливають три основні параметри (I, t і a). Ефекти струму та часу гальваніки є простими, але коефіцієнт струму складний і включає безліч факторів, включаючи форму електрода, відстань між електродами, умови розчину та рН розчину.
Щоб виявити ріст покриття Ni, Ag NW кілька разів гальванізували, тоді як інші параметри були постійними, як описано в експериментальних процедурах. Товщина Ni покриття сильно впливає на прозорість, електричний опір і максимальну температуру плівки Ag NW. Тому ці три характеристики зазвичай використовують для вимірювання зростання покриття Ni. У таблиці 1 наведено властивості електродів Ag NW, покритих різним часом гальваніки. На рисунку 6 показано зображення скануючої електронної мікроскопії (SEM) мереж Ag NW, гальванізованих при 0,1 А протягом 2-30 с. У міру збільшення часу покриття покриття Ni посилювалось, а прозорість плівки Ag NW відповідно зменшувалась. Крім того, осадження Ni призвело до утворення тісних зв’язків між нановолокнами та збільшення площі перерізу Ag NW, тим самим різко зменшивши електричний опір шару. Зверніть увагу, що максимальна температура листів електродів, покритих протягом більше 20 секунд, досягала 180 ° C. При цій температурі ПЕТ-підкладка деформувалася і частково плавилася, як показано на фіг. Таким чином, температура насичення електрода становила приблизно 180 ° C. Температура насичення може бути навіть вищою, якщо використовувати підкладки з більш високими температурами плавлення.
Стіл в натуральну величину
Морфології та структури мереж Ag NW, підданих гальваніці Ni при 0,2 А/дм2 для ( a ) 2 с, ( b ) 10 с, ( c ) 20 с a ( d ) 30 с.
Повнорозмірне зображення
Відповідно до рівняння (1) залежність між товщиною покриття Ni та часом гальванізації повинна бути лінійною, але результати показали явно нелінійну залежність (рис. S5a). Можливою причиною цієї розбіжності було те, що щільність оболонки Ni спочатку була високою, а потім зменшувалась при подальшому зростанні Ni 35, 36. Таким чином, вага Ni повинен збільшуватися лінійно зі збільшенням часу покриття. Щоб забезпечити точність результатів, інший зразок застосовували протягом 30 секунд і досліджували EDS. Результати аналізу EDS, показані на фіг. S4 підтвердив гіпотезу. Оскільки кількість Ag NW у кожному зразку була однаковою, співвідношення Ni/Ag можна було використовувати для розрахунку маси Ni. Визначено, що коефіцієнти становлять 0, 375, 0, 515, 1, 326 та 1, 941 для зразків, висаджених протягом 2 с, 10 с, 20 с і 30 с. Використовуючи дані про масу Ni та електролітичний час за допомогою програмного забезпечення Origin TM, було встановлено, що зазор та нахил становлять 0, 122 та 122 відповідно. 0, 059. Коефіцієнт кореляції R становив 0,944, що означає, що два параметри мали хороший лінійний взаємозв'язок (рис. S5b) і підтвердив, що швидкість росту Ni також відповідала законам Фарадея.
Виробництво високоефективних прозорих нагрівачів
На рис. 7а показано теплову характеристику Ni-нагрівача, зміцненого Ag NW. Розмір обігрівача становив 2 см × 1,5 см. Температурну характеристику нагрівача вимірювали за допомогою інфрачервоної камери, як показано на фіг. 7а. З відхиленням 5,0 В температура нагрівача зросла з 25 ° C (кімнатна температура) до 170 ° C приблизно за 50 секунд. Потім при підтримці напруги температуру підтримували в стабільному стані. Крива показує, що Ni-нагрівач, посилений Ag NW, має хорошу теплову реакцію. Рисунок 7b порівнює наші азотно-аміновані Ag NW TH із раніше вивченими TH, такими як графен, вуглецеві нанотрубки (CNT), Ag NW та гібриди Ag NW. Графік проникності в порівнянні з опором листа показує, що армований Ni N Ag TH мав відносно високі показники (низький опір листа з високою температурою насичення), порівнянні з результатами інших згаданих TH. Крім того, продуктивність армованої Ni-мережею Ag NW може бути налаштована шляхом регулювання часу цинкування для отримання електродів для різних застосувань. Радіолокаційна схема на фіг. S6 показує параметри трьох електродів, виготовлених в різний час гальваніки (0 с, 10 с і 30 с).
a ) Крива ввімкнення/вимкнення теплового відгуку нагрівача Ag NW. ( b ) Графік прозорості проти опір листа для нагрівача Ag NW із заданою температурою насичення. Дані щодо інших наноструктурованих провідних матеріалів були взяті з літератури та перекладені для порівняння 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 .
Повнорозмірне зображення
висновки
Високопровідні та прозорі Ni-армовані мережі Ag NW з потенціалом як високопродуктивні нагрівачі були отримані модифікованим методом гальванічного покриття. Ній-іонний міст, сформований у розчині для покриття, був важливим середовищем для формування рівномірних і щільних зв’язків між Ag NW та новоутвореним покриттям Ni, зменшував контактний опір мереж Ag NW. Високопродуктивна армована Ni-прозорою плівкою Ag NW була досягнута за рахунок оптимально збалансованої оптичної прозорості (80% при 550 нм) та опору листа (9,4 Ом кв -1). Поверхневі нагрівачі Ni, зміцнені Ag NW, були виготовлені для підтримання довготривалої стабільності роботи протягом 120 хвилин при сильному струмі (200 мА) та стабільності температури під час механічного згинання протягом понад 3500 циклів порівняно з голими Ag NW. Через високу теплову, електричну та механічну стабільність очікувалося, що посилені Ni прозорі плівки Ag NW найближчим часом будуть застосовуватися як переносні нагрівачі, високопродуктивні пристрої.
методи
Підготовка плівок Ag NW
Ag NW (L = 80 мкм, D = 80 нм) були синтезовані модифікованим методом поліолів у наших раніше згаданих методах 37. Підготовлений Ag NW диспергували у воді DI у концентрації приблизно 4 мг/мл. Потім 200 мкл чорнил Ag фільтрували через нітроцелюлозну мембрану за допомогою вакуумної системи фільтрації для отримання мережі Ag NW. Потім зібрані сітки Ag NW переносили на плівку ПЕТ (4 х 4 см 2) за допомогою процесу перенесення стиснення. Нарешті, плівки Ag NW сушили при 50 ° C протягом 30 хвилин у печі для подальших випробувань.
Гальванічне покриття Ni
1 М дихлориду нікелю (NiCl 2,6 H 2 O), 0,5 М ортофоборної кислоти (H 3 BO 3) і 0,5 М етилендіаміну дигідрохлориду (C 2 H 10 Cl 2 N 2) змішували в 500 мл води DI для формування покриття ванна. і рН розчину доводять до 4,0 додаванням водного аміаку (NH 3 H 2 O). Перед нанесенням температуру електроліту підтримували на рівні 60 ° C за допомогою водяної бані з термостатом. Підготовлені плівки, що містять Ag NW, занурювали в розчин як катод, а в якості анода використовували пластинку Ni. Процес гальваніки завершували струмом 0,1 А протягом 5-30 секунд (для різних зразків). Потім зразки ретельно промивали водою DI і сушили при кімнатній температурі.
характеристика
Морфології Ag NWs та Ni N-покриття Ag NW характеризувались SEM (Helios Nanolab 600i, FEI NanoPorts, Америка) з прискорювальною напругою 20 кВ. TEM (JEM 2100, Japan Electron Optics Laboratory Co.Ltd., Японія) використовували для збору зображень при прискорювальній напрузі 200 кВ. Оптичні та електричні властивості плівок Ag NW на ПЕТ вимірювали за допомогою спектрофотометра UV/vis (UV1600PC, Shanghai Jinghua Technology, Китай) та чотириточкової зондової системи (MCP-T370 з зондом ASP, Mitsubishi Chemical Corp., Японія) . ). Джерело постійного струму (DPS-3005D, Zhaoxin, Китай) було використано для перевірки високої стабільності струму. Зображення температурної кривої та теплової карти отримували за допомогою системи інфрачервоних камер (A-325, FLIR Systems, Inc., Америка), а криву напруги вимірювали цифровим мультиметром (34401 A, Keysight Technologies, Америка). Випробування на згинання проводили за допомогою домашнього згинального верстата (рис. S7), і швидкість згинання встановлювали на 4 с за цикл (0,25 Гц).
Дякую
Автори вдячні за фінансову підтримку Національного наукового фонду Китаю (грант № 51522503) та підтримку Програми талантів Університету досконалості нового століття (NCET-13-0175).
Електронний додатковий матеріал
Додаткова інформація
Коментарі
Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватися наших Загальних положень та умов та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте, що це образливий вчинок, який не відповідає нашим умовам чи інструкціям, повідомте про це як про недоречний.