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1、银纳米线结的自限性等离子焊接黎超群 7-8图 6 | 局部等离子加热在温敏型材料和设备上的应用a 图：包含经喷涂的银纳米线顶插电极的半透明聚合态太阳能电池的电流密度 -电压曲线。图中可以看出，在经过等离子焊接之后（红线） ，性能上较之喷涂态（蓝线）增强了一倍。但是，在加热板上以 200 加热 10min 之后（绿线） ，性能开始打打降低，而在加热 20min 之后（紫线） ，性能也以同样数量级降低。图上内嵌的是通过这种半透明太阳能电池看到的斯坦福大学的胡弗塔。这种电池材料可以作为能够发电的窗户玻璃涂层。b 图：在塑料薄膜（低密度聚乙烯薄膜，以下称薄膜）上喷涂银纳米线制成的透明电极，该电极之后还
2、要经过等离子焊接。其透明度达到了 95%并且表面电阻低至 580 每平方米米。内嵌图片中是经对折的薄膜。图中银色和金色的区域是气化金属沉积形成的凸点，用来侧量几个点之间的电阻。补充信息中有证明该电极超强耐久性的视频（补充信息 S6） 。为进一步证明加热的局部特性，我们分别在塑料薄膜和聚合态本体异质结太阳能电池上制造了喷涂态和等离子焊接两种银纳米线网状电极。进一步实验中，经 60s 的照射，薄膜表面电阻降低了三个数量级，相比于喷涂态薄膜和经普通电炉加工的聚合态太阳能电池，经过等离子焊接的聚合态太阳能电池的效率分别提高了一倍和一个数量级（如图 6） 。当然，一般的热加工是不能用在薄膜上的银纳米线电
3、极的，因为薄膜在大约 150时就开始熔化了。在薄膜上制造的银纳米电极具有很高的耐久性，可以承受对折、弯曲甚至褶皱等机械操作而不明显改变其电阻。而聚合态太阳能电池的效率相对较低，这是由于其两端的电极都是透明的，因此对光的吸收就相对较少了。但它至少证明了这种网状纳米线的透明性质，同时也可以应用在某些领域，例如可以用作窗户玻璃涂层，在减少反射、达到美学效果的同时还可以发电。图 6 内嵌的就是透过这种透明涂料观察斯坦福大学胡弗塔的图片。我们的研究未来可以用在诸如自发电的显示屏或者机械强度较高且有触敏性的假肢外覆层等领域并且成本不高。总结起来，我们验证了一种通过利用等离子体的高度集中特性来焊接纳米线的光
4、学方法。因为等离子束的集中特性高度依赖线间距离，所以这种处理方法就自然具备了自限性。有趣的是，纳米尺寸的加热连接却是在比照射点尺寸小几个数量级的尺寸上实现的。所以就能够使得在一个还未经激光退火和炉内退火验证的纳米尺寸上对热量产生和物质传递的控制达到一个新的水平。这项研究提供了一种新的、简单的且广泛适用的处理方法以便在加快诸如复杂的纳米设备、电路或者改良金属纳米网这样的结构的连接速度时能够起到关键作用。本研究的一些直接应用就是太阳能电池、发光二极管和触摸屏技术等领域，这些领域中，结点电阻对产品性能已经起到了很大的负面作用。通过使用快速而低成本的局部加热焊接特定的连接点就可以极大地增强导电性能同时
5、不影响周边的热敏材料。我们已经在薄膜和热敏性聚合态太阳能电池上通过这种光学方法成功制得了导电电极，而这通过传统热处理是不可能完成的。制备方法银纳米线是通过如前所述的多元醇加工过程制得的。简单地说，就是将 0.34g 的聚乙烯吡咯烷酮（PVP ）加到 20ml 的乙二醇中再加热到 170；之后，加入 25mg 的细磨 AgCl以形成 Ag 的结晶核；3min 后，在 10min 内分批加入 110mg 的 AgNO3，反应 30min；然后以 6000 rmp 的速度离心几次，最后用甲醇清洗。最终，银纳米线会被浇筑在带有经光刻或 KOH 刻蚀形成的孔洞的氮化硅窗口上，而这层氮化硅膜是悬浮在 Si
6、 晶片上的。这个窗口的尺寸大约是 250m*250m*30 nm。这层薄的氮化硅是为了在照射前后进行透射电子显微成像和电子衍射。我们在进行电子显微检测时所用的仪器为 FEI XL30 Sirion SEM（扫描电镜）和 FEI Tecnai G2 F20 X-TWIN TEM（透射电镜） 。等离子纳米焊接是在AG Heatpulse 210 系统中以 3050k 的比色温度使用 21V 的 Ushio 卤素钨灯实现的，试验中所用的功率密度为 30W/cm2。所有的纳米焊接都是在以 20s.c.c.m.持续流通的氮气环境下进行的。FEM 仿真则是使用 Comsol 公司的多物理场仿真模块。散射光
7、谱则是使用Nikon（尼康） 的 Eclipse C1 共聚焦显微镜组装上 Princeton Instruments（普林斯顿仪器）公司的单色计和一个光电倍增管检测器来检测的。暗场照射和反射模式的接收是使用卤灯和一个 50 倍目镜实现的。扣除背景的信号和通过银镜反射的信号进行归一化之后用来确定散射效率。纳米线和结的电气互联是在 JEOL SEM 上以 40KV 电压和 90pA 的束电流进行电子束光刻实现的。微化 PMMA A4 被用作抗蚀层，使用时以 4000rpm 的速度旋涂，之后以 450C/cm 2 的剂量曝光再在甲基异丁基酮：异丙醇为 1:3 的溶液中生长。热蒸发生成的 Cr/Au
8、 层（厚度为 2nm/100nm）被用作接点金属而剥离操作是通过在丙酮中浸泡 3h 完成的。所有的电阻测量操作是使用 Agilent（安捷伦）公司的半导体参数分析仪完成的，而透射比则是透过一个自组装仪器实现的，该仪器由 Newport（纽波特）卤钨灯光源、单色仪、示数光敏二极管和一个集光球组成。用于透明电极测量的银纳米线网状膜是使用自组装的喷涂系统沉积在玻璃盖片上的，这样是为了减少样品转移时性能的突变。四点电阻测量所用的触点是通过热蒸发沉积Cr/Au 膜形成的，当然，为形成所需的触点分布，还需要特定的掩膜，该掩膜每隔 4mm 则设置一个 0.5mm 见方的孔。喷涂系统还可以用来在贴在玻璃基片上
9、薄膜和聚合态太阳能电池上沉积银纳米线。聚合态太阳能电池是在一个带有铟锡氧化物透明电极的玻璃基板上制造的。用原子层沉积（大约 15nm 厚）的方法将氧化锌沉积在基片的顶部作为接下来的聚合物-富勒烯混合物沉积的电子选择性触点。聚N - 9 - 庚癸基-2,7 - 咔唑 - 交替-5,5 - （ 40,70 - 二-2 - 噻吩基-20 ，10，30 - 苯并噻二唑） （PCDTBT）/ 6,6 - 苯基 C70-丁酸甲酯(PC 70BM)（质量比为 1:4）薄膜经过 1min 的转速为 4000rpm 的旋涂后，厚度经轮廓测定法达到最终的大约 60nm。然后在手套式操作箱中在室温下干燥 24h，移出后在空气中以 4000rmp 的速度旋涂 Plextronics 公司的空穴导电性聚合物 1min，之后在空气中以 75烤板退火 15min 以除去残余的溶剂。银纳米线是使用 Kapton（聚酰亚胺材料）掩膜进行喷涂的，制成的设备在光焊前后都要进行检测。一般加热板处理方法是在 200下在氮气环境中加热 20min。所有的太阳能电池都是使用 Newport 的阳光模拟装置来模拟阳光的。通过比较参考光敏二极管电流将功率调整为 1 sun（不知道是什么估计是功率单位）并用 KG-5 过滤器来说明光谱失配。
