納米線“墨水”使紙基可印刷電子產品成為可能

印刷電子，已經在一些器件例如通常在新DVD后面能夠找到的防盜射頻識別(RFID)標簽上被廣泛地大規模應用，其目前有一個主要的缺點：為了使該電路能夠工作，首先必須將其進行加熱，使所有的納米顆粒熔化結合成一個單一的導電絲，這使得其無法在廉價的塑料或紙上印刷電路。

杜克大學的研究人員完成的一項新研究表明，調整墨水中的納米粒子的形狀可以消除對加熱的需求。

通過比較由不同形狀的銀納米結構制成的薄膜的導電性能，研究人員發現，電子通過銀納米線制成的薄膜要比通過其他形狀例如納米球或微盤制成的薄膜要容易得多。事實上，電子流過納米線制成的薄膜是如此容易，以致于都不需要將它們熔化在一起就可以用在印刷電路中了。

杜克大學化學系助理教授Benjamin Wiley說：“納米線的導電率比在RFID標簽的印刷天線上可以找到的常用銀納米粒子高出4000倍。所以，如果你使用納米線，那么你不需要將印刷電路加熱到那么高的溫度，你可以使用更便宜的塑料或紙張。”

Wiley補充說：“除了這些銀納米線之外，我真的想不到還有什么東西能夠像這樣簡單的打印出來，沒有任何后處理，就可以直接導電。”

這些類型的印刷電子的應用可能遠遠超出智能包裝;研究人員設想利用該技術來制造太陽能電池、印刷顯示器、LED、觸摸屏、放大器、電池甚至一些植入式生物電子器件。該研究結果發表在12月16日的《ACS應用材料與界面》在線版上。

Wiley說，銀已成為一種制造印刷電子材料的原料，最近出現的許多研究展示了對不同形狀的銀納米結構薄膜的電導率的測量。然而，實驗誤差使得很難在不同形狀之間進行直接比較，還有少量報道將薄膜的導電性與所用的銀的總質量聯系了起來，這是使用昂貴材料時的一個重要因素。

“我們希望消除來自墨水的任何額外的材料，只是關注薄膜中銀的含量以及納米結構之間的聯系作為唯一的變異來源，”Ian Stewart說，他是Wiley實驗室的一名新研究生，也是這篇發表在《ACS》上的論文的第一作者。

Stewart用已知的配方來做出具有不同形狀的銀納米結構，包括納米顆粒，微片，以及短的和長的納米線，然后將這些納米結構與蒸餾水混合制成簡單的“墨水”。然后他發明了一種快速簡便的方法，使用在任何實驗室都可以很容易找到的設備——玻璃片和雙面膠帶來制備薄膜。

Stewart說：“我們用打孔器在雙面膠帶上打出一個個井來，然后將其粘貼到玻璃片上。”通過在磁帶的每一個井中加入一個精確的量的墨水，然后將井加熱到一個水蒸發的相對較低的溫度或者結構開始熔化的相對較高的溫度，他得到了各種各樣的薄膜用來測試。

該研究小組說，他們并不驚訝于長納米線薄膜具有最高的導電性。電子通常很容易通過單個納米結構，但是當它們不得不從一個結構跳到下一個結構時往往會被卡住，Wiley解釋說，而長納米線大大減少了電子“跳躍”的次數。

但他們對這種變化的劇烈程度感到驚訝。“長的銀納米線薄膜的電阻率比銀納米顆粒要低幾個數量級，比純銀也只是大了10倍，”Stewart說。

該小組現在正在試驗使用氣溶膠噴墨打印機來在可用電路中打印銀納米線墨水。Wiley說，他們還想探索一下鍍銀的銅納米線是否也能產生同樣的效果，其比純銀納米線生產起來要便宜得多。