青岛理工兰红波/朱晓阳Adv.Sci.封面文章:液态基底电喷射—直接成型嵌入式金属网格柔性透明电极

2022-05-18 07:52:42 浙江 高分子科学前沿
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柔性透明电极是一种同时具备高导电性和高透明度的一种特殊的材料。与传统透明电极相比,因其具备柔软、轻薄、灵活度高的特性被广泛应用于柔性显示、先进能源以及智慧健康医疗等领域。近年来,柔性透明电极材料向着碳纳米材料、导电聚合物、金属薄膜、金属纳米线以及金属网格等多元化的方向发展,其中嵌入式金属网格凭借着精准可调的线宽、周期、高宽比等特征优势成为下一代柔性透明电极的有力候选者之一。然而,目前嵌入式金属网格的制造主要基于光刻、激光直写、电镀/化学镀、纳米压印以及真空蒸镀等多种工序之间的组合,面临着制造成本高、工艺复杂、环境污染等问题。

近日,青岛理工大学兰红波&朱晓阳利用液膜基底电场驱动微纳3D打印技术实现了高分辨率,高性能嵌入式金属网格的“单步成型”快速制造。相关研究成果以“Directly Printed Embedded Metal Mesh for FlexibleTransparent Electrode via Liquid Substrate Electric-Field-Driven Jet”为题发表在Advanced Science 期刊上(DOI:10.1002/advs.202105331),并被选为内封面文章。青岛理工大学兰红波朱晓阳教授为论文共同通讯作者,博士生李政豪李红珂为论文共同第一作者。

在本工作中,研究人员创新性地引入液膜基底,形成了有趣的“双锥形”电场驱动喷射现象,一方面,利用电场驱动喷射泰勒锥的“缩颈”效应,提高了喷射打印的稳定性;另一方面,利用液膜衬底对打印浆料的“限制性”铺展作用,实现高分辨率、大高宽比嵌入式金属网格柔性透明电极的直接制造(图1)。这种嵌入式金属网格柔性透明电极“单步成型”制造策略摆脱了传统制造技术所需的掩模、模板、电镀、蒸镀等工艺,具有高效、低成本、大面积及绿色制造的优势。利用该方法制造的面积为80 mm × 80 mm的柔性透明电极展现了优异的光电性能,在透光率为85.97%的前提下,实现了方阻为6 Ω sq-1的嵌入式金属网格的制造。另外,经过一系列严格的机械稳定和环境适应性测试,制造的嵌入式金属网格柔性透明电极仍表现出优异的可靠稳定性(如图2)。同时,探索了制造的嵌入式金属网格柔性透明电极在热驱动型透明4D打印结构(如图3),柔性透明应变传感器(如图4)等领域的应用潜能,实验结果表明,所制造的嵌入式金属网格柔性透明电极具有良好的实际应用能力。

这项工作创新性地将液态基底作为电场驱动喷射打印的基底,提出了嵌入式金属网格柔性透明电极单步直接成型新思路,避免了传统复杂工艺流程,并且通过4D打印智能结构以及柔性传感器器证明了其应用潜能。同时,液膜基材电场驱动喷射的研究拓宽了电流体动力喷射技术的基材类型,进一步拓展了电流体动力喷射打印技术的研究领域。

图1 a)嵌入式金属网格柔性透明电极制造原理示意图;b)嵌入式金属网格柔性透明电极宏观图;c-d)液膜基底辅助的电场驱动喷射3D打印原理及其数值仿真图;e)“双锥型”喷射打印数值模拟过程;f)高速摄像机拍摄的“双锥型”喷射形成过程

图2 a)具有不同周期的完全嵌入式金属网格柔性透明电极在可见光范围内的透光率(含基底);b-c)分别是具有不同周期的完全嵌入与半嵌入式金属网格柔性透明电极在可见光范围内的透光率(不含基底);d)不同周期的下完全嵌入式金属网格透明电极的方阻;e\h)与商用ITO薄膜弯折性能对比;f/h)与商业ITO薄膜的湿热实验对比;g)嵌入式金属网格的化学稳定性测试

图3 a)4D打印结构工艺原理示意图;b-c)4D打印样品变形过程及相应的热成像图;d)基于4D打印结构的抓取装置

图4 a)身体不同位置的应力变量;b)人体不同面部表情对应的应变传感器实时响应;c)人体关节对应的应变传感器在不同弯曲角度下实时响应;d-g)制造的透明应变传感器的疲劳试验

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论文信息:

Zhenghao Li, Hongke Li, Xiaoyang Zhu*,Zilong Peng, Guangming Zhang, Jianjun Yang, Fei Wang, Yuan-Fang Zhang, LuanfaSun, Rui Wang, Jinbao Zhang, Zhongming Yang, Hao Yi, and Hongbo Lan*,Directly Printed Embedded Metal Mesh for Flexible TransparentElectrode via Liquid Substrate Electric-Field-Driven Jet,Advanced Science

DOI:10.1002/advs.202105331

来源:高分子科学前沿

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