一种银纳米线焊接方法与流程

本发明属于纳米焊接技术领域，更具体地，涉及一种银纳米线的纳米级焊接方法。

背景技术：

透明导电薄膜被广泛应用于光电器件，例如发光二极管、触控面板、太阳能电池等领域。在目前的工业生产上，铟锡氧化物(ITO)被广泛应用于透明导电薄膜的制备中。

然而，铟锡氧化物的生产速率缓慢，并且生产过程中原料浪费非常严重，加上自然界中铟保有量的不可预知性，这些都使得铟锡氧化物的价格越来越昂贵。而且，铟锡氧化物本身易碎的特性也限制了它在柔性可伸缩电子器件上的应用。所以，人们在不断的寻找铟锡氧化物的替代品。银纳米线制备的薄膜是铟锡氧化物的良好替代品，它不仅生产成本低，而且拥有非常好的透光性、导电性和柔韧性。

虽然银纳米线薄膜具有以上优良的特性，但是，银纳米线薄膜线与线之间交叉点处的接触非常的脆弱，这使得银纳米线薄膜的导电性、稳定性、抗弯折能力等都受到很大限制，这个问题阻碍了银纳米线薄膜的广泛应用。

目前，被用于增强银纳米线交叉点处点接触的方法主要有以下几种：(1)激光微束点焊接法，通过微小的激光束定位到纳米线的交叉点处，实现交叉点的焊接，该方法的焊接效果比较好，但是成本很高，而且不利于大面积处理。(2)焦耳加热法，通过在银纳米线导电薄膜两端加载一个恒压电源，引起薄膜内部纳米线交叉点处的区域焦耳加热从而实现焊接，该方法虽然成本低廉，但是焊接效果并不太好，线与线之间的点接触仍然较弱。(3)高温加热法，在高温环境下，银纳米线出现熔融和再结晶现象，从而实现纳米线交叉点处的焊接，该方法虽然简单高效，但是容易破坏银纳米线本身的结构，影响到薄膜的性能。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种银纳米线焊接方法，其目的在于，利用氦气产生的等离子体对银纳米线薄膜进行纳米级的焊接，该方法可有效地将彼此分离的银纳米线在交叉点处焊接在一起，且不会对银纳米线原本的线状结构造成任何破坏，纳米焊接过程简单易行、省时高效，设备成本低廉，并且可实现大规模加工处理。利用该方法处理的银纳米线薄膜可被广泛应用于柔性透明光电器件中。

为实现上述目的，本发明提供了一种银纳米线焊接方法，其特征在于，其包括如下步骤：

(1)将氦气作为工作气体导入等离子体发生装置中，接着对氦气施加高压脉冲电压以使所述氦气生成室温常压等离子体，然后将所述室温常压等离子体经由导管导出，从而获得室温常压等离子体射流；

(2)将银纳米线薄膜置于所述室温常压等离子体射流下方，以使被等离子体射流辐射到的区域内的银纳米线交叉点处发生纳米级焊接；

(3)在二维平面内移动所述银纳米线薄膜，以实现更大面积的银纳米线薄膜上交叉点的纳米焊接。

进一步的，所述工作气体的流量为50mL/min～300mL/min，优选为100mL/min。

进一步的，所述导管为石英导管，该石英导管套接在保护罩内，所述保护罩内通入有保护气体，以限制外界空气对纳米焊接过程的影响。

进一步的，所述保护气体为惰性气体或氮气。

进一步的，所述保护气体的流量为4L/min～6L/min。

进一步的，所述导管管口与银纳米线薄膜表面的距离为8mm～12mm。优选的，所述导管管口与银纳米线薄膜表面的距离为10mm。

进一步的，所述银纳米线薄膜的移动速率为5mm/s～20mm/s。优选的，银纳米线薄膜的移动速率为10mm/s。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明方法中，等离子体射流发生之后直接作用于银纳米线薄膜表面，在短时间内实现对薄膜中所有纳米线交叉点的焊接。其操作过程简单易行、省时高效。

2.本发明中所使用的等离子体射流是在室温常压条件下生成的，无需任何特殊环境，样品处理直接在空气环境下完成，这极大地降低了设备成本，使其设备成本低廉。

3.不论多大的银纳米线透明导电薄膜样品，都可以通过面扫的方式实现大规模的表面纳米焊接，因此，本发明方法易于实现大规模加工处理。

4.本发明方法可有效地将彼此分离的银纳米线在交叉点处焊接在一起，且不会对银纳米线原本的线状结构造成任何破坏。

附图说明

图1是本发明方法中等离子体射流发生装置示意图；

图2是本发明实施例1中等离子体射流处理前后的银纳米线交叉点处的扫描电子显微镜图片，图2(a)为处理前，图2(b)为处理后；

图3是本发明实施例1中银纳米线薄膜电阻随等离子体处理次数的变化关系图；

图4为是本发明实施例2中得到的银纳米线薄膜的良好抗弯折能力的数据曲线。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第一进气口 2-第二进气口 3-高压脉冲电源

4-不锈钢电极 5-保护罩 6-石英导管

7-等离子体射流 8-银纳米线薄膜 9-基底

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种银纳米线焊接方法，其包括如下步骤：

(1)将氦气作为工作气体导入等离子体发生装置中，接着对氦气施加高压脉冲电压以使所述氦气生成室温常压等离子体，然后将所述室温常压等离子体经由导管导出，从而获得室温常压等离子体射流。其中，工作气体的流量为50mL/min～300mL/min，优选为100mL/min。所述导管为石英导管，该石英导管套接在保护罩内，所述保护罩内通入有保护气体，以最大程度的限制外界空气对纳米焊接过程的影响。所述保护气体为惰性气体或氮气。所述保护气体的流量为4L/min～6L/min。所述导管管口与银纳米线薄膜表面的距离为8mm～12mm。优选的，所述导管管口与银纳米线薄膜表面的距离为10mm。导管管口与银纳米线薄膜表面的距离低于设定值，将有可能破坏银纳米线的原有结构。优选的，本步骤中，工作气体和保护气体的纯度都大于99％。

(2)将银纳米线薄膜置于所述室温常压等离子体射流下方，以使被等离子体射流辐射到的区域内的银纳米线交叉点处发生纳米级焊接；

(3)在二维平面内移动所述银纳米线薄膜，以实现更大面积的银纳米线薄膜上交叉点的纳米焊接。所述银纳米线薄膜的移动速率为5mm/s～20mm/s。优选的，银纳米线薄膜的移动速率为10mm/s。

图1是本发明方法中等离子体射流发生装置示意图，由图可知，等离子体射流发生装置包括高压脉冲电源3、不锈钢电极4、石英导管6、保护罩5。在本发明的一个实施例中，不锈钢电极4置于内径为1mm的石英导管6内，石英导管6套接在保护罩5内，保护罩的内径为5mm。由第二进气口2向保护罩5内通入保护气体氮气。在实施工程实践中，先通入氮气，将装置中空气排出后，将流量譬如为50mL/min的工作气体氦气由第一进气口1导入。在电源输入端3施加高压脉冲电压，从而产生等离子体射流7。基底9上的银纳米线薄膜8置于距离石英导管6管口下方，以使等离子体射流7对薄膜进行辐照。基底9置于电动二维台上，以能在电动二维台的移动时候而移动，进而实现对银纳米线薄膜的移动。

为了更详细的阐述本发明方法，下面结合实施例说明如下：

实施例1

本发明实施例的银纳米线纳米级焊接方法包括如下步骤：

(1)如图1所示，由第二进气口2向保护罩5内通入保护气体氮气，流量为5L/min，5min后，将流量为50mL/min的工作气体氦气由第一进气口1导入。在电源输入端3施加高压脉冲电压，参数为：峰值7kV，频率6kHz，脉宽800ns，从而产生等离子体射流7。

(2)将基底9上的银纳米线薄膜8置于距离石英导管6管口下方10mm处，用等离子体射流7对银纳米线薄膜进行辐照。

(3)电动二维台以5mm/s的速度进行移动，完成面扫后，实现了对银纳米线薄膜内所有纳米线交叉点的纳米焊接。

图2是处理前和处理后的银纳米线薄膜中任取一处所拍摄的扫描电子显微镜(SEM)图片，在等离子体处理前如图2(a)所示，银纳米线在交叉点处各自的轮廓清晰可见，然而在等离子体处理后如图2(b)所示，其交叉点处的形貌发生了改变，所有的接触点都被焊接到了一起，并且除交叉点以外的位置仍然保留原有的线状结构。

图3是银纳米线薄膜电阻随着等离子体处理次数的变化图，显而易见的，等离子体射流处理后银纳米线薄膜的电阻急剧下降，这反映了银纳米线薄膜内纳米线之间的点接触被加强了，也就是实现了纳米焊接。

实施例2

本实施例的银纳米线纳米级焊接方法中，除了步骤(1)中工作气体氦气的流量为300mL/min，步骤(3)中的电动二维台移动速率为20mm/s以外，其他部分均与实施例1相同。

图4展示的是该实施例2所得到的银纳米线薄膜在抗弯折能力上的数据曲线，由图4可知，焊接后的银纳米线薄膜的抗弯折能力大幅提升，在进行弯折半径为3mm的1200次重复弯折实验后，未经处理的银纳米线薄膜电阻提升了3倍多，然而等离子体处理过的样品电阻基本保持不变，这种导电薄膜机械性能的强化同样是由于纳米焊接的实现所带来的。

实施例3

本发明实施例的银纳米线纳米级焊接方法包括如下步骤：

(1)如图1所示，由第二进气口2向保护罩5内通入保护气体氮气，流量为4L/min，10min后，将流量为100mL/min的工作气体氦气由第一进气口1导入。在电源输入端3施加高压脉冲电压，参数为：峰值7kV，频率6kHz，脉宽800ns，从而产生等离子体射流7。

(2)将基底9上的银纳米线薄膜8置于距离石英导管6管口下方12mm处，用等离子体射流7对银纳米线薄膜进行辐照。

(3)电动二维台以15mm/s的速度进行移动，完成面扫后，实现了对银纳米线薄膜内所有纳米线交叉点的纳米焊接。

实施例4

本发明实施例的银纳米线纳米级焊接方法包括如下步骤：

(1)如图1所示，由第二进气口2向保护罩5内通入保护气体氮气，流量为6L/min，4min后，将流量为210mL/min的工作气体氦气由第一进气口1导入。在电源输入端3施加高压脉冲电压，参数为：峰值7kV，频率6kHz，脉宽800ns，从而产生等离子体射流7。

(2)将基底9上的银纳米线薄膜8置于距离石英导管6管口下方8mm处，用等离子体射流7对银纳米线薄膜进行辐照。

(3)电动二维台以10mm/s的速度进行移动，完成面扫后，实现了对银纳米线薄膜内所有纳米线交叉点的纳米焊接。

本发明方法中，等离子体射流发生之后直接作用于银纳米线薄膜表面，在短时间内实现对薄膜中所有纳米线交叉点的焊接，所使用的等离子体射流是在室温常压条件下生成的，无需任何特殊环境，样品处理直接在空气环境下完成，这极大地降低了设备成本，其设备成本低廉。并且，不论多大的银纳米线透明导电薄膜样品，都可以通过面扫的方式实现大规模的表面纳米焊接，因此，本发明方法易于实现大规模加工处理，其操作过程简单易行、省时高效，且不会对银纳米线原本的线状结构造成任何破坏。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。