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化学法制备柔性金属电极的研究进展

柔性、可穿戴电子器件如柔性显示器、柔性传感器、柔性电阳能电池、柔性锂电等是指那些在穿戴环境下遭受拉伸、弯曲、扭转等形变却不影响其电子功能特性的电子器件。这一类型的电子器件近几年广受产业界和学术界的密切关注,有望在未来几年进入人们的日常生活、大幅改变我们的生活方式。作为柔性电子器件不可或缺的部件,可耐受弯折、扭转、拉伸等多种力学形变的高性能柔性金属电极是至关重要的。与真空沉积、热蒸镀、溅射等物理过程相比,利用化学反应、自组装等化学方式为高性能柔性金属电极的大面积高效制备提供了实用化和产业化的可能。最近,香港理工大学的郑子剑教授课题组基于多年来在化学法制备柔性金属电极方面的研究积累,首次系统梳理和总结了近十年世界各国相关研究小组的研究思路和成果,在国际顶级化学期刊Chemical Society Reviews上发表了综述文章《Chemical Formation of Soft Metal Electrodes for Flexible and Wearable Electronics》。该文系统地总结了化学法制备柔性金属的策略、常用制备技术、柔性金属电极的性能表征方法、典型的应用范例等,对从事相关领域工作的研究者具有很好的指导作用。

典型的柔性金属电极由两部分构成:柔性聚合物基体、导电金属材料;在金属材料的选择上,该文章通过衡量多种金属材料的电导率与价格的比值,认为金属银具有最高的电导率和较好的性价比,是目前制备柔性金属电极的第一选择。然而过渡金属铜、镍等的性价比非常高,是替代银进行规模化柔性电极制备的潜在选择。在柔性基底的选择上,该文给出了一些典型的聚合物材料(PET/PEN/PI/Cellulose/PDMS/PU)的物理性质,针对柔性电极和电子器件的使用环境、应用需求可以进行优化选择。

在柔性金属电极的化学法制备策略方面,该文总结了两大类的制备方法(如图1所示):一是利用“增材制造”的策略在柔性基材上“印刷”各种金属纳米材料(金属纳米颗粒、纳米线等)二是通过原位的化学反应在柔性基材上就地“生长”金属材料。进一步,该文非常详细地介绍和讨论了每一种有代表性的金属电极化学制备方法和细节,对于“增材制造”策略,主要讨论了包括金属纳米材料(0维金属纳米颗粒、1维金属纳米线等)的制备方法、广泛采用的增材制造技术(直接写、喷墨打印、丝网印刷、静电纺丝等)、后处理过程(热烧结、光烧结、压力焊接等)对金属电极的影响等在内的研究进展,对于“原位生长”策略,主要讨论了基材的表面处理、无电化学沉积和电镀过程等内容。

化学法制备柔性金属电极的研究进展图1. 通过化学法制备柔性金属电极的策略

该文还通过翔实的研究实例,清晰地勾勒出该类柔性金属电极在可穿戴电路和被动元件、可穿戴传感器、可穿戴电光器件、可穿戴电化学储能器件等几大主要可穿戴电子领域的应用潜力。文章的最后,作者们还对化学策略制备柔性金属电极所面临的挑战进行了讨论和展望,指出本领域的研究者应继续深入认识化学制造柔性金属电极背后的物理和化学规律,从而继续优化金属/聚合物界面、改进金属电极的电学、力学、光学、和表面性质,开发更加绿色、高效、低能耗的制备过程,获得综合使用性能更为优秀的柔性金属电极,从而有效推动柔性电子领域的进步。

Dongrui Wang, Yaokang Zhang, Xi Lu, Zhijun Ma, Chuan Xie, Zijian Zheng. Chemical formation of soft metal electrodes forflexible and wearable electronics. Chemical Society Reviews, 2018, DOI:10.1039/c7cs00192d.

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