摘要

采用飛秒激光直寫技術(shù)在預(yù)涂覆廉價銅離子涂層的柔性基體上通過激光還原得到納米銅顆粒并原位連接形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，成功制得了具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的銅微電極。研究了不同激光功率及掃描速率對微電極形貌結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電性能的影響。結(jié)果表明：在不損傷基體的條件下，隨著輻照激光能量密度增大，銅微電極的導(dǎo)電性能明顯提高；當(dāng)激光功率為1210 mW、掃描速度為1 mm/s時，所制備的微電極的成分主要為銅，導(dǎo)電性能較好，方阻達(dá)到2.74Ω·sq-1.該研究為發(fā)展低成本、高效率的柔性電極制造提供了一種新技術(shù)，并拓寬了納米銅材料在電子行業(yè)的應(yīng)用范圍。

1引言

柔性電子器件作為一種新興的電子器件，相較于傳統(tǒng)的電子器件具有柔性化、成本低廉的優(yōu)勢，在信息電子、能源儲存等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。貴金屬納米材料因兼具良好的電學(xué)性能和力學(xué)性能而成為柔性電極的潛在應(yīng)用材料。此外，銅由于其低廉的成本和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能而受到廣泛關(guān)注，但不穩(wěn)定、易氧化的缺點制約了其在電子器件中的進(jìn)一步應(yīng)用。研究銅顆粒連接和導(dǎo)電機理對于從新角度設(shè)計銅油墨和柔性電極的制造工藝就顯得尤為重要。

激光直寫技術(shù)兼具直寫技術(shù)和激光加工技術(shù)的優(yōu)點，較光刻技術(shù)、絲網(wǎng)印刷、噴墨打印等傳統(tǒng)加工技術(shù)而言具有成本低、操作簡單、加工精度高的優(yōu)點，在柔性電子器件的制造中顯示出巨大的潛力。飛秒激光相較于其他光源，具有脈沖持續(xù)時間超短、平均功率低但峰值功率大的特點，在制備金屬微納結(jié)構(gòu)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。飛秒激光聚焦可使激光只在焦點附近極小的區(qū)域內(nèi)達(dá)到多光子吸收閾值，并且其在與材料作用時，非線性效應(yīng)占主導(dǎo)，熱作用非常小。基于此，采用飛秒激光可在盡量不產(chǎn)生熱影響區(qū)的情況下，在柔性基體上實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的便捷、可選區(qū)精細(xì)加工。Arakane等采用飛秒激光誘導(dǎo)還原氧化銅納米顆粒成功制備了富銅微結(jié)構(gòu)，并通過激光直寫技術(shù)實現(xiàn)了圖案化加工。Bai等直接用半導(dǎo)體激光還原銅離子薄膜，在聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）上得到了測量手指彎曲的銅微電極。Fan等通過調(diào)控飛秒激光脈沖能量、脈沖輸入數(shù)及脈沖輸入方式等在銅表面制備出了不同形貌的微結(jié)構(gòu)。Liu等通過調(diào)控飛秒激光的掃描速度及掃描間隔，在銅基板表面制備得到了一系列具有結(jié)構(gòu)色及超疏水性的多功能表面。Cheng等報道了飛秒激光脈沖燒結(jié)銅納米顆粒的理論和實驗結(jié)果?？梢姡捎蔑w秒激光對銅離子進(jìn)行還原得到富銅顆粒后，可通過對激光參數(shù)的調(diào)節(jié)實現(xiàn)顆粒間的連接，獲得良好的導(dǎo)電性。然而，目前關(guān)于飛秒激光輻照下銅的還原機理以及激光參數(shù)對銅微電極導(dǎo)電性能的影響規(guī)律等還未明晰。

本文采用飛秒激光對預(yù)置于柔性基體上的銅離子涂層進(jìn)行激光直寫，通過原位還原并燒結(jié)連接得到網(wǎng)絡(luò)狀金屬銅，完成了導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的一步制造。研究了激光參數(shù)對所形成的銅微電極的物相成分、形貌結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電性能的影響。

2實驗部分

2.1原料及試劑

實驗所需溶液由三水硝酸銅【Cu（NO3）23H2O]、聚乙烯吡咯皖酮（PVP）、聚乙二醇（PEG）構(gòu)成。所用化學(xué)藥品均為分析純，全部購買自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。實驗用水為去離子水。

2.2儀器設(shè)備

所用激光器為藍(lán)寶石固體飛秒激光器（Coherent,美國），其輸出激光的波長為800nm,重復(fù)頻率為1kHz,脈寬為50fs;采用光學(xué)顯微鏡【OM,CarlZeiss（AxioScope.A1），德國】、掃描電子顯微鏡（SEM,MerlinCompact,德國）觀察結(jié)構(gòu)的形貌；通過X射線衍射分析儀（XRD,RigakuD/max,日本）表征結(jié)構(gòu)的成分，XRD的測試條件為銅靶，電壓為20kV,電流為200mA,掃描速度為8（°）/min,掃描范圍為30°——80°;通過數(shù)字源表（Keithley,2400,美國）測量所得結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能。

2.3實驗原理及步驟

本實驗所用原料為PEG、PVP及Cu（NO3）2