elemeket
absztrakt
Könnyű módszert ismertetnek nagy teljesítményű, nikkeldúsított ezüst nanorészecskék (Ag NW) átlátszó elektródák rugalmas hordozón történő előállítására. A módosított galvanizálási módszert Ag NWs nikkel-ion híd megerősítésnek nevezték, amely új módot kínál a laza kapcsolatok javítására az Ag NW csupasz hálózatokban. Az Ag NW elektródák időjárási ellenállása több mint 2000 Ω sq −1-ről 9,4 Ω sq −1-re csökken, kiváló hőegyenletességgel 10 másodpercen belül a galvanizálási folyamat után. Átlátszó filmeket, javított nikkel-tartalommal, Ag NW, a mechanikus hajlítási folyamat után jó hőstabilitással (165 ° C 2 órán át) és mechanikai rugalmassággal (3500 ciklus 2,5 mm hajlítási sugárral) hajlékony fűtőberendezésekre viszünk fel. A nikkel növekedésének mechanizmusát az a tény is megerősíti, hogy az Ag NW galvanizáló nikkel tiszteletben tartotta Faraday törvényeit.
Az elmúlt évtizedekben olyan kis dimenziójú anyagok, mint a nanorészecskék, nanoszálak (NW) és a grafén kiváló optikai, elektromos, termikus és mechanikai tulajdonságokat mutattak az 1., 2., 3., 4., 5. különböző területeken. A különféle nanoanyagok közül az ezüst nanocellák (Ag NW) nagy jelentőséggel bírnak a kutatók számára magas vezetőképességük (6, 3 × 107 S m-1) 6, kiváló mechanikai tulajdonságaik és könnyű szintetikus útjaik miatt, amelyek lehetőséget adnak a nanoszál potenciáljának cserélje ki a kereskedelmi célú indium-ón-oxidot (ITO) 7. Az optoelektronikus eszközökben (pl. Átlátszó elektródák) és érzékelőkben végzett sikeres alkalmazások mellett az Ag NW hálózatokat különböző területeken használják, például napelemek, átlátszó fűtőberendezések és nagy teljesítményű készülékek 8, 9, 10, 11 12, amelyekhez jó alkatrészek szükségesek megbízhatóság nagy áramoknál és magas hőmérsékleten.
A galvanikus bevonatot elsősorban a környezetre érzékeny anyagok védelmére használják. A hagyományos galvanizálási módszer alkalmazásával az Ag NW hálók szelektíven bevonhatók, megakadályozva ezzel más területek nemkívánatos bevonását. Ez a galvanizált bevonat javíthatja az összekapcsolódásokat, amelyek valóban gyengék. Ebben a tanulmányban a fém nikkelt (Ni) választották galván bevonó anyagnak, annak jó fizikai és mechanikai tulajdonságai miatt. A galvanizálási eljárással nagy teljesítményű Ni-N hálózatok állíthatók elő javított Ni-vel. A nagy teljesítményű Ni-erősített Ag NW hálózat megbízhatóságának biztosítása érdekében meg kell határozni azt a mechanizmust, amellyel a Ni-ionok javítják a nanoszálas kapcsolatokat és a hosszú távú szolgáltatási viselkedést, például a magas hőmérsékletű elektromigrációt és az Ag NW-k közötti kapcsolatot.
Eredmények és vita
Ag NWs átlátszó fóliák gyártása és horganyzása
Az 1. ábra a Ni N átlátszó filmek gyártásának teljes folyamatát mutatja. Magas képarányú (80 μm hosszú és 80 nm átmérőjű) Ag NW-t módosított poliol módszerrel szintetizáltunk és ioncserélt (DI) vízben diszpergáltunk. Az Ag NW oldatot ezután nitrocellulóz membránon vezetjük át vákuumszűrő rendszeren keresztül, amint az a 3. ábrán látható. Szűrés után az Ag NW szitákat bevonjuk a membránra, majd laminálószerrel (Lb. Ábra) polietilén-tereftalát (PET) filmre visszük. A kezeletlen filmek átlátszósága 90% volt, a lemez ellenállása pedig magasabb volt, mint 2000 Ω sq-1. Miután egy lemez segítségével 30 percig 50 ° C-on hevítettük (1c. Ábra), az Ag NW filmek filmellenállása 200 Q négyzetméter alá csökkent.
Átlátszó fűtőelem gyártásának sematikus ábrázolása. a ) Vákuumszűrés. b ) Nyomásátadási folyamat. c ) Fűtési folyamat. d ) A fűtött Ag NW hálózat SEM képe és csatlakozásának feltételei. ( e
g ) Ni galvanikus bevonat. h ) A galvanizált Ag NW hálózat SEM képe és csatlakozásának feltételei.
Teljes méretű kép
Az Ag NW fűtött hálózatok azonban hosszú ideig nem képesek magas hőmérsékletet továbbítani magas hőmérsékleten, különösen ha rugalmas fűtőberendezésekben és nagy teljesítményű készülékekben használják őket. Az Ag NW-k sokszög keresztmetszetűek, éles szélűek, és amint az a 2. ábrán látható. 1d. Ábra csak egymással halmozódik fel, ami rossz filmvezető képességhez vezet. Az Ag NW filmek elektromos tulajdonságainak további javítása és a nanohuzalok elektromigrációval szembeni védelme érdekében egy vékony Ni hüvelyt horganyoztak az Ag NW hálózatokon. A galvanizálási folyamat folyamatábráját a 2. ábra mutatja. 1e - g. Az Ag NW ragasztóval ellátott PET filmet, amelyet Ag NW filmnek neveznek, 4 cm x 3 cm szelvényekre vágták. A Cu-csíkokat egy előkészített Ag NW filmhez ragasztjuk, hogy katódként alkalmazzuk a galvanizálási folyamathoz. A galvanizáló rendszer egy Ni anódból, egy Ag NW alapú katódból, egy galvánoldatból és egy egyenáramú (DC) tápegységből állt, amint az a 2. ábrán látható. A galvanizálás paraméterei 100 mA (0,2 A dm −2) és 10 s voltak. A Ni galvanizálási folyamat után a Ni bevonattal ellátott Ni N lemezek ellenállása 9,4 Ω sq-1-re csökkent, az átlátszóság 80% -ra csökkent, és a film színe világosszürkéről sötétszürkére változott.
A Ni elektrolitikusan bevont Ag NWs film mikrostruktúráját a 3. ábra szemlélteti. 1h, hogy Ni kitöltötte az Ag NW-k közötti réseket, ami szoros kapcsolatot teremtett az egyes Ag NW-k között. Ez növelte az Ag NW filmek vezetőképességét. Ezenkívül az Ag NW közötti kapcsolatok laza csatlakozásról szorosra váltottak a Ni galvanizálási folyamat miatt. Ezenkívül a Ni atomok lerakódásával az ÉNy-k érdessé és felületük érdessé váltak. A film transzmissziós elektronmikroszkópos (TEM) képe azt mutatta, hogy durva bevonat volt jelen minden Ag NW sima felületén (Sla. Ábra) és a diszperzív röntgenspektroszkópia (EDS) elemzésén, amely az 1. és 2. ábrán látható. megerősítette, hogy csak Ni és Ag volt jelen. Arra a következtetésre jutottak, hogy az Ag NW hálózatot csatlakoztatták és vékony Ni réteggel vonták be, ami várhatóan javítja a vezetőképességet és az elektromágneses tulajdonságokat.
Átlátszó fűtőberendezések teljesítménye
Hőeloszlás ( a ) csupasz Ag NW és ( b ) Ni által felerősített Ni-elektródák. Végső előadás ( c ) csupasz Ag NW és ( d ) Ni-emelkedett Ag NW-k. Beágyazott képek ( a, b ) az állandó alkalmazott áram alatt álló elektródák infravörös képei.
Teljes méretű kép
A csupasz és Ni-erősítésű Ag NW elektródák hő- és elektromos stabilitásának vizsgálatához 2 órán keresztül állandó áramot vezetünk a mintákra, amint az a 2. ábrán látható. 3a, b. A csupasz Ag NW elektróda jó stabilitást mutatott 75 ° C-on, enyhe ingadozással 5 perc előtt. A hőmérséklet azonban 5 perc múlva hirtelen 68 ° C-ra csökkent, és ezt a hőmérsékletet 12 percig tartották, amikor a minta a nanostruktúrák instabilitása miatt viszonylag magas hőmérsékleten szétesett a hosszú távú izzítás érdekében 14. A hőmérséklet-csökkenés 75 ° C-ról 68 ° C-ra az Ag NW-k hőkezelésének tulajdonítható a joule fűtési környezetben 27, mivel a hőkezelés az elektromos ellenállás és az összteljesítmény csökkenéséhez vezethet. A csupasz Ag NW elektróddal ellentétben a bevonattal ellátott elektróda a vizsgálat során 165 ° C hőmérsékletet tartott stabil elektromos ellenállással. Ezért a Ni bevonat kétségtelenül javította az Ag NW hálózatok stabilitását, jóval a csupasz Ag NW hálózat szintjénél, kemény tesztkörnyezetben.
Hosszú távú munkaerő-stabilitás ( a ) csupasz Ag NW és ( b ) Ni-emelkedett Ag NW-k.
Teljes méretű kép
a ) Hajlítási tesztek a csupasz Ag NW és Ni-vel megerősített Ag NW mechanikai stabilitásának meghatározására. ( b ) A fűtőelem hőmérséklete változik a hajlítási ciklusok alatt.
Teljes méretű kép
Továbbfejlesztett galvanizáló mechanizmus
SEM képek ( a ) csupasz Ag NW és ( b ) Ni-bevonatú Ag NWs. Ni-ion híd kapcsolási mechanizmus diagramja X-hézagokhoz ( c ) és Y ( d ).
Teljes méretű kép
Az újonnan hozzáadott Ni bevonat jelentősen megnövelte az Ag NW filmek vezetőképességét, de csökkentette az optikai teljesítményt is. ÁBRA. Az S2 mutatja az Ag NW átlátszó filmek UV-Vis spektrumának görbéjét galvanizálás előtt és után. Egy csupasz NN Ag-alapú film esetében az Ag NW felületi plazmon rezonanciacsúcsok jelentek meg 354 nm-en és 396 nm-en, ami megfelel a kvadrupolon kívüli és a síkon kívüli rezonancia módoknak, 30, 31. Ezzel szemben a plazmon rezonancia miután Ni-t felvittük az Ag NW-k felületére. Ez a megfigyelés összhangban volt az Ag-Ni 32 nanorészecskékre vonatkozó megállapításokkal. Az átláthatóság megfigyelt csökkenésének két oka lehet. Először is, az északnyugati filmek átlátszóságát általában az Ag NW hálózat közötti "üregek" százalékos arányának függvényében értjük. A fény átlátszó aljzatokon haladt át az Ag ÉNy-i akadályok nélkül az üresség területén. Galvanizálás után az üreg területe az ÉNy vastagságának növekedésével csökkent, ami az átlátszóság csökkenéséhez vezetett 23. Egy másik ok az, hogy a galvanizált Ni bevonat galvanizálás után megnövelte az ÉN élességét, ami a galvanizált NW-k szétszóródását vagy több beeső fény elnyelését okozta. .
Ni Shell növekedési mechanizmus
A galvanizáló elméletek szerint az Ag NW katódra lerakódott Ni mennyisége arányos volt a 34 áram és idő szorzatával az alábbiak szerint:
$$ m = 1, 095-szerese a $ -nak
ahol m a katódra lerakódott Ni mennyisége grammban, I az elektrolitikus áram amperben, t a galvanizálási idő órákban és a az aktuális együttható. Az állandó értéket (1, 095) grammban/amperóra óránként Faraday törvényei alapján számítják ki. Ez az egyenlet azt mutatja, hogy a végterméket három fő paraméter (I, t és a) befolyásolja. A galvanizálás áram- és időhatásai egyértelműek, de az aktuális együttható bonyolult és sok tényezőt foglal magában, beleértve az elektróda alakját, az elektródok távolságát, az oldat körülményeit és az oldat pH-ját.
A Ni bevonat növekedésének kimutatására az Ag NW-kat többször galvanizáltuk, míg a többi paraméter a kísérleti eljárásokban leírtak szerint állandó volt. A bevonat Ni vastagsága erősen befolyásolja az Ag NW film átlátszóságát, elektromos ellenállását és maximális hőmérsékletét. Ezért általában ezt a három jellemzőt használják a Ni bevonat növekedésének mérésére. Az 1. táblázat a különböző galvanizálási időnél bevont Ag NW elektródák tulajdonságait mutatja be. A 6. ábra 0,1 A-on 2-30 másodpercig galvanizált Ag NW hálózatok pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) képeit mutatja. A lemezelési idő növekedésével a Ni bevonat erősödött, és ennek megfelelően csökkent az Ag NW film átlátszósága. Ezenkívül a Ni-lerakódás a nanoszálak közötti szoros kapcsolatok kialakulásához és az Ag NW-k keresztmetszeti területének növekedéséhez vezetett, ezáltal drámai módon csökkentve a réteg elektromos ellenállását. Vegye figyelembe, hogy a 20 másodpercnél hosszabb ideig bevont elektródlemezek maximális hőmérséklete elérte a 180 ° C-ot. Ezen a hőmérsékleten a PET szubsztrát deformálódott és részben megolvadt, amint az a 2. ábrán látható. Így az elektróda telítési hőmérséklete megközelítőleg 180 ° C volt. A telítési hőmérséklet még magasabb is lehet, ha magasabb olvadáspontú szubsztrátumokat használunk.
Asztal teljes méretben
A Ni galvanizálásnak kitett Ag NW hálózatok morfológiája és szerkezete 0,2 A/dm2 nyomáson ( a ) 2 s, ( b ) 10 s, ( c ) 20 s a ( d ) 30 s.
Teljes méretű kép
Az (1) egyenlet szerint a Ni bevonat vastagsága és a galvanizálási idő közötti kapcsolatnak lineárisnak kell lennie, de az eredmények egyértelműen nemlineáris összefüggést mutattak (S5a ábra). Ennek az eltérésnek egyik lehetséges oka az lehetett, hogy a Ni héj sűrűsége kezdetben magas volt, majd a Ni 35, 36 folyamatos növekedésével csökkent. Így a Ni tömegének lineárisan kell növekednie a lemezelési idő növekedésével. Az eredmények pontosságának biztosítása érdekében egy másik mintát alkalmaztunk 30 másodpercig, és az EDS megvizsgálta. Ábrán bemutatott EDS-elemzés eredményei. Az S4 megerősítette a hipotézist. Mivel az egyes mintákban az Ag NW mennyisége megegyezett, a Ni/Ag arány felhasználható a Ni tömegének kiszámításához. Az arányokat 0, 375, 0, 515, 1, 326 és 1, 941 értékekre állítottuk be a 2, 10, 20 és 30 másodpercig lemezelt minták esetében. A Ni tömeg és elektrolitikus idő adatok Origin TM szoftverrel történő ábrázolásával a rést és a meredekséget 0, 122-nek találtuk. 0, 059. Az R korrelációs együttható 0,944 volt, ami azt jelenti, hogy a két paraméter jó lineáris összefüggést mutatott (S5b ábra), és megerősítette, hogy a Ni növekedési üteme Faraday törvényeit is követte.
Nagy teljesítményű átlátszó fűtőberendezések gyártása
A 7a. Ábra egy Ag NW-val erősített Ni-fűtőelem hőhatását mutatja. A melegítő mérete 2 cm × 1,5 cm volt. A fűtőberendezés hőmérsékleti reakcióját infravörös kamerával mértük, amint az a 3. ábrán látható. 7a. 5,0 V eltéréssel a fűtés hőmérséklete körülbelül 50 másodperc alatt 25 ° C-ról (szobahőmérséklet) 170 ° C-ra emelkedett. A hőmérsékletet ezután állandó állapotban tartottuk, amikor feszültséget adtunk. A görbe azt mutatja, hogy az Ag NW-val megerősített Ni-fűtés jó hőreakcióval rendelkezik. A 7b. Ábra összehasonlítja a Ni-amplifikált Ag NW TH-t a korábban vizsgált TH-kkel, például a grafén, a szén nanocsövek (CNT), az Ag NW és az Ag NW hibridek alapján. A permeabilitás és a lapellenállás grafikonja azt mutatja, hogy a Ni-erősítésű Ag NW TH viszonylag nagy teljesítményű (alacsony lapellenállás, magas telítési hőmérséklet mellett), összehasonlítva a többi említett TH-k eredményeivel. Ezenkívül a Ni-erősítésű Ag NW hálózat teljesítményét úgy lehet beállítani, hogy a galvanizálási időt úgy állítjuk be, hogy elektródákat állítsunk elő különböző alkalmazásokhoz. A radar diagram az 1. ábrán. Az S6 három különböző galvanizálási időnél (0 s, 10 s és 30 s) előállított elektróda paramétereit mutatja.
a ) Ag NW melegítő be- és kikapcsolási hőgörbéje. ( b ) Átláthatósági grafikon vs. lap ellenállása meghatározott telítési hőmérsékletű Ag NW fűtőberendezéshez. Más nanostrukturált vezetőképes anyagok adatait az irodalomból vettük, és összehasonlítás céljából lefordítottuk 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 .
Teljes méretű kép
következtetések
A nagymértékben vezető és átlátszó Ni-erősítésű Ag NW hálózatokat, amelyekben nagy teljesítményű fűtőberendezések vannak, módosított galvanikus bevonási módszerrel állítottak elő. A galvanizáló oldatban képződött Ni-ion híd fontos közeg volt az egyenletes és szoros kapcsolatok kialakításához az Ag NW-k között, és az újonnan kialakult Ni-bevonat csökkentette az Ag NW hálózatok érintkezési ellenállását. Nagy teljesítményű Ni-erősítésű átlátszó Ag NW fóliát értünk el optimálisan kiegyensúlyozott optikai átlátszósággal (80% 550 nm-en) és lapellenállással (9,4 Ω sq −1). Az Ag NW-val megerősített Ni felületi fűtőberendezéseket úgy állítottuk elő, hogy 120 percig tartsák a hosszú távú működési stabilitást nagy áramerősség mellett (200 mA), és a hőmérsékleti stabilitást mechanikai hajlítással több mint 3500 ciklus alatt, a csupasz Ag NW-khoz képest. A magas hő-, elektromos és mechanikai stabilitás miatt várható volt, hogy a közeljövőben Ni erősítésű átlátszó filmeket, az Ag NW-t alkalmazzák hordozható fűtőberendezésekként, nagy teljesítményű eszközökként.
mód
Ag NW filmek elkészítése
Az Ag NW-ket (L = 80 μm, D = 80 nm) módosított poliol módszerrel szintetizáltuk a korábban említett módszerünkben 37. Az elkészített Ag NW-t DI vízben diszpergáljuk, körülbelül 4 mg/ml koncentrációban. Ezután 200 μl Ag festéket szűrünk egy nitrocellulóz membránon vákuumszűrő rendszer alkalmazásával, így Ag NW hálózatot állítunk elő. Ezután az összegyűjtött Ag NW hálókat kompressziós átviteli eljárással PET-fóliába (4 x 4 cm2) vittük át. Végül az Ag NW filmeket 50 ° C-on szárítottuk 30 percig egy kemencében további vizsgálatok céljából.
Ni galvanikus bevonat
1 M nikkel-dikloridot (NiCl 2, 6H 2 O), 0,5 M ortofoborsavat (H 3 BO 3) és 0,5 M etilén-diamin-dihidrokloridot (C 2 H 10 Cl 2 N 2) 500 ml DI vízben összekevertünk fürdőkád. és az oldat pH-ját vizes ammónia (NH3H20) hozzáadásával 4,0-re állítottuk. Az alkalmazás előtt az elektrolit hőmérsékletét 60 ° C-on tartjuk, termosztáttal szabályozott vízfürdővel. Az elkészített Ag NW tartalmú filmeket katódként az oldatba merítettük, és anódként Ni lemezt használtunk. A galvanizálási folyamat 0,1 A árammal 5-30 másodpercig végbement (különféle minták esetén). A mintákat ezután DI vízzel alaposan leöblítettük és szobahőmérsékleten szárítottuk.
jellemzés
Az Ag NW és Ni bevonatú Ag NW morfológiáit SEM (Helios Nanolab 600i, FEI NanoPorts, Amerika) jellemezte 20 kV gyorsítófeszültséggel. A TEM-et (JEM 2100, Japan Electron Optics Laboratory Co.Ltd., Japán) 200 kV gyorsítófeszültségű képek gyűjtésére használtuk. A PET-n lévő Ag NW filmek optikai és elektromos tulajdonságait UV/vis spektrofotométerrel (UV1600PC, Shanghai Jinghua Technology, Kína) és négypontos szondarendszerrel (MCP-T370 ASP szondával, Mitsubishi Chemical Corp., Japán) mértük. . ). DC áramforrást (DPS-3005D, Zhaoxin, Kína) használtunk a nagy áramstabilitás tesztelésére. A hőmérsékleti görbe és a hőtérkép képeit infravörös kamerarendszerrel (A-325, FLIR Systems, Inc., Amerika) készítettük, és a feszültséggörbét digitális multiméterrel (34401 A, Keysight Technologies, Amerika) mértük. A hajlítási teszteket házi hajlító géppel hajtották végre (S7. Ábra), és a hajlítási sebességet ciklusonként 4 másodpercre állították (0,25 Hz).
köszönöm
A szerzők hálásak a Kínai Nemzeti Tudományos Alapítvány pénzügyi támogatásáért (51522503. sz. Támogatás) és a New Century University of Excellence tehetségprogram támogatásáért (NCET-13-0175).
Elektronikus kiegészítő anyag
További információ
Hozzászólások
Megjegyzés beküldésével vállalja, hogy betartja Általános Szerződési Feltételeinket és közösségi irányelveinket. Ha ezt sértő cselekedetnek találja, amely nem felel meg feltételeinknek vagy irányelveinknek, kérjük, jelölje meg nem megfelelőnek.