Advanced Electronic Materials: 柔性电子器件的柔性制造:一种适用的大面积铜基电子器件的激光烧蚀策略

近年来,能够满足各种特殊需求的柔性可穿戴便携式电子产品得到了迅速的发展和广泛的关注。各种各样的柔性电子器件的制备都离不开柔性电极和电路,制备出具有良好的光电性能、成本低、可靠性与稳定性好的电极与电路尤其关键。与传统刚性器件相比,柔性电子器件在保持电子器件正常功能的同时,可以适应不同的工作环境,满足各种变形的要求。

在柔性光电器件中,柔性透明导电电极是不可少的组成部分,目前应用最广泛的透明导电电极是氧化铟锡涂覆透明塑料薄膜。但氧化铟锡涂膜一个固有脆性与未来低成本的可穿戴柔性电子设备是不相容的。为了开发廉价、可靠的氧化铟锡替代品,人们提出了许多新的材料和制备方法。金属纳米线,特别是银纳米线被认为是制备高性能透明导电电极最有前途的替代品。然而,银的材料成本相对较高。除了金属纳米线,电纺金属纳米纤维和规则金属网格也是有前途的透明电极材料。到目前为止,人们提出了许多制备规则金属网格的方法,典型的包括激光烧结、光刻技术、纳米压印、喷射打印等。然而,由于纳米线/纳米纤维结构连接之间的电阻高,纳米线和纳米纤维基金属电极需要复杂的材料合成和精细的后处理退火步骤。由于金属与聚合物后处理温度不匹配,如何在不引起聚合物基体高温塑性变形不可恢复的前提下,选择性地焊接线间接头,去除孤立的有机成分,一直是提高透明导电电极导电性的重要问题。

来自北京航空航天大学的单光存教授团队联合材料学院胡明俊副教授课题组利用激光在紫外波段具有很强的光吸收能力,将铜烧蚀在柔性聚合物上。由于激光能量密度高,光热转换效率高,紫外激光可以快速蒸发表面铜层,而不会对底层柔性聚合物基体造成明显的热损伤。该方法在保证聚合物表面清洁光滑的同时,可在环境条件下直接去除微米级厚度的铜层。如图a-d 所示,作者提出的基于金属蒸发的紫外激光烧蚀方法是制造鲁棒的大面积金属基柔性电子器件的一种通用策略。所制备的铜基电极获得较好的光电性能(90.9%透光率和21.6Ω/sq薄层电阻),应用于电致发光显示(图d)和电磁干扰屏蔽等特殊领域(图b)。此外,作者提出的激光烧蚀策略还可用于生产各种具有优良电气性能和机械性能的柔性电路板(图c),该工作所提出的方法在亚毫米微米柔性电子器件的可伸缩制造中具有广阔的应用前景。该成果相关论文发表在Advanced Electronic Materials (DOI: 10.1002/aelm.201900365)上。