固體所在銀納米線薄膜力學失穩機製方麵取得新進展

  近期 ，中科院合肥研究院固體所納米材料與器件技術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條件下的失穩機製開展研究 ，並取得新進展 。該研究得到了中科院青年創新促進會的資助（2018485） ，以及國家自然科學基金 、安徽省自然科學基金和企業研發項目的支持 。相關成果以“Fracture behaviour of silver nanowire films during shear deformation”為題發表在Nanotechnology ( Nanotechnology, 2022, DOI: )上 。

  銀納米線透明導電薄膜因其優異的導電性 、光學高清和良好的柔韌性 ，在柔性電子領域展現突出的應用優勢 ，廣泛應用於觸控屏 、傳感器 、太陽電池以及薄膜加熱器等領域，但實際應用中銀納米線薄膜的機械不穩定現象仍需要克服 ，如大規模卷對卷（R2R）生產中薄膜裁剪帶來的邊緣納米線斷裂問題限製了新型電子器件的發展 。

  固體所柔性電子團隊長期致力於包括力學穩定性 、電學與熱學穩定性等在內的納米器件安全服役研究 ：為解決R2R生產中薄膜內銀納米線聚集引起電阻起伏帶來的觸控靈敏性下降 、電學擊穿問題 ，發明動態紅外幹燥技術克服濃度梯度相關的物質傳輸 ，生產的銀納米線薄膜均勻性優於ITO且在反複彎折中保持電阻穩定性（圖1a） ；為滿足反複觸控時薄膜抗刮擦要求 ，調控柔性樹脂與銀納米線界麵狀態來兼顧薄膜力學和電學性能 ，在滿足折疊觸控靈敏度前提下使表麵硬度達到3H（圖1b） 。

  為了研究剪切應力下薄膜中銀納米線的斷裂行為 ，研究團隊製備了不同結構參數的銀納米線薄膜 。通過自製剪切裝置對薄膜進行剪切實驗 ，並結合電鏡圖片統計得到斷裂範圍 ，以此作為薄膜抗剪切斷裂能力的依據 。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數值來表征材料的塑性性能 。與實驗同時進行的理論模擬 ，利用有限元方法模擬得到應力-應變曲線（圖3） ，通過應力-應變曲線計算的屈服強度下限判斷塑性性能 ，趨勢與實驗測試結果一致 。結合薄膜中銀納米線的斷裂範圍 ，發現了薄膜的塑性性能與剪切斷裂的關係 ，並通過深入的顯微結構分析（圖4） ，進一步揭示了這一關係 ，即采用不同直徑的納米線及薄膜厚度來進行力傳遞 ，應力集中區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衝層來分散應力集中 ，能在不影響光學指標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定性 。該工作為銀納米線薄膜的大規模工業應用提供了新思路 。

  相關文章鏈接：

  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 、抗表麵刮擦性能 。

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力應變曲線 。

圖4. 薄膜剪切應力下銀納米線斷裂後不同部位的微結構表征 。