近期，中科院合肥研究院固體所納米材料與器件技術(shù)研究部季書林研究員團隊對柔性電子重要材料的銀納米線薄膜在極端力學(xué)條件下的失穩(wěn)機制開展研究，并取得新進(jìn)展。該研究得到了中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會的資助（2018485），以及國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金和企業(yè)研發(fā)項目的支持。相關(guān)成果以“Fracture behaviour of silver nanowire films during shear deformation”為題發(fā)表在Nanotechnology ( Nanotechnology, 2022, DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac7731)上。

  銀納米線透明導(dǎo)電薄膜因其優(yōu)異的導(dǎo)電性、光學(xué)高清和良好的柔韌性，在柔性電子領(lǐng)域展現(xiàn)突出的應(yīng)用優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于觸控屏、傳感器、太陽電池以及薄膜加熱器等領(lǐng)域，但實際應(yīng)用中銀納米線薄膜的機械不穩(wěn)定現(xiàn)象仍需要克服，如大規(guī)模卷對卷（R2R）生產(chǎn)中薄膜裁剪帶來的邊緣納米線斷裂問題限制了新型電子器件的發(fā)展。

  固體所柔性電子團隊長期致力于包括力學(xué)穩(wěn)定性、電學(xué)與熱學(xué)穩(wěn)定性等在內(nèi)的納米器件安全服役研究：為解決R2R生產(chǎn)中薄膜內(nèi)銀納米線聚集引起電阻起伏帶來的觸控靈敏性下降、電學(xué)擊穿問題，發(fā)明動態(tài)紅外干燥技術(shù)克服濃度梯度相關(guān)的物質(zhì)傳輸，生產(chǎn)的銀納米線薄膜均勻性優(yōu)于ITO且在反復(fù)彎折中保持電阻穩(wěn)定性（圖1a）；為滿足反復(fù)觸控時薄膜抗刮擦要求，調(diào)控柔性樹脂與銀納米線界面狀態(tài)來兼顧薄膜力學(xué)和電學(xué)性能，在滿足折疊觸控靈敏度前提下使表面硬度達(dá)到3H（圖1b）。

  為了研究剪切應(yīng)力下薄膜中銀納米線的斷裂行為，研究團隊制備了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的銀納米線薄膜。通過自制剪切裝置對薄膜進(jìn)行剪切實驗，并結(jié)合電鏡圖片統(tǒng)計得到斷裂范圍，以此作為薄膜抗剪切斷裂能力的依據(jù)。通過納米壓痕實驗得到載荷-位移曲線（圖2），計算了不同納米線直徑和薄膜厚度銀納米線薄膜的硬度H、彈性模量E和H3/E2數(shù)值來表征材料的塑性性能。與實驗同時進(jìn)行的理論模擬，利用有限元方法模擬得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖3），通過應(yīng)力-應(yīng)變曲線計算的屈服強度下限判斷塑性性能，趨勢與實驗測試結(jié)果一致。結(jié)合薄膜中銀納米線的斷裂范圍，發(fā)現(xiàn)了薄膜的塑性性能與剪切斷裂的關(guān)系，并通過深入的顯微結(jié)構(gòu)分析（圖4），進(jìn)一步揭示了這一關(guān)系，即采用不同直徑的納米線及薄膜厚度來進(jìn)行力傳遞，應(yīng)力集中區(qū)缺陷的形核與運動帶來的塑性變形會造成納米線“頸縮”差異，銀納米線薄膜的塑性越好，抗剪切斷裂能力越強。為此，在銀納米線與襯底之間加入超薄金屬緩沖層來分散應(yīng)力集中，能在不影響光學(xué)指標(biāo)前提下提高薄膜抗剪切斷裂能力，而且可以增加薄膜的撓曲穩(wěn)定性。該工作為銀納米線薄膜的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用提供了新思路。

  相關(guān)文章鏈接：

  https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac7731

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.6b00500

  https://www.mdpi.com/2079-4991/9/4/557

圖1. 折疊屏用銀納米線薄膜的抗彎折、抗表面刮擦性能。

圖2. 不同納米線直徑以及薄膜厚度的銀納米線薄膜載荷位移曲線。

圖3. 不同納米線直徑以及薄膜厚度的銀納米線薄膜應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖4. 薄膜剪切應(yīng)力下銀納米線斷裂后不同部位的微結(jié)構(gòu)表征。