銀納米線透明導(dǎo)電薄膜的失效機(jī)理研究

葉長(zhǎng)輝,顧瑜佳,王貴欣,畢麗麗

(浙江工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,杭州 310014)

銀納米線(AgNW)是近年來(lái)廣受重視的一種新材料,一般為單晶結(jié)構(gòu),平均直徑在20～100 nm,平均長(zhǎng)度在20～200 μm,長(zhǎng)徑比可達(dá)1000以上。銀納米線一般由多元醇還原法制備,隨著研究的深入,銀納米線的直徑和長(zhǎng)度等已經(jīng)可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控,并且產(chǎn)率也穩(wěn)步提高。由銀納米線涂布形成的網(wǎng)絡(luò),對(duì)可見(jiàn)光的透過(guò)率可以高達(dá) 90%以上,而連續(xù)網(wǎng)絡(luò)可以形成有效的導(dǎo)電通道,其方塊電阻可以低至30 Ω/□以下,并且隨著銀納米線直徑的減小,網(wǎng)絡(luò)薄膜對(duì)于可見(jiàn)光的散射逐漸降低,其霧度可以減小至0.5%以下。銀納米線透明導(dǎo)電薄膜的這些性能參數(shù),已經(jīng)可以與最好的氧化銦錫(ITO)透明導(dǎo)電薄膜材料相媲美,因此,吸引了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注[1-7]。因?yàn)殂熧Y源短缺以及ITO的脆性問(wèn)題,預(yù)期在未來(lái)的柔性顯示及柔性電子等領(lǐng)域中,銀納米線透明導(dǎo)電薄膜將逐步取代 ITO材料,成為最主要的柔性透明導(dǎo)電電極材料。

盡管光電性能已經(jīng)達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的要求,但是銀納米線透明導(dǎo)電薄膜的穩(wěn)定性問(wèn)題始終是困擾科學(xué)界和工業(yè)界的難題。銀納米線不僅容易受到大氣環(huán)境中的含硫物質(zhì)所腐蝕,而且在加熱以及加載電流時(shí)都可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變化,乃至導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)失效,在光照條件下腐蝕及失效過(guò)程會(huì)進(jìn)一步加劇。銀納米線的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和功能失效機(jī)理比較復(fù)雜,概括起來(lái),主要分為化學(xué)腐蝕、熱失效以及電遷移失效等,如圖1(a～d)所示,實(shí)際應(yīng)用中可能多種因素同時(shí)存在[8-27]。因此,近幾年來(lái),已經(jīng)有研究人員陸續(xù)提出了一些解決銀納米線透明導(dǎo)電薄膜失效的措施,主要是基于在銀納米線透明導(dǎo)電薄膜表面涂覆金屬氧化物、石墨烯、有機(jī)物等透明的保護(hù)層,隔絕大氣環(huán)境中的腐蝕性化學(xué)物質(zhì),以及阻止銀離子遷移等[28-31]。值得指出的是,采用任何方法提高銀納米線透明導(dǎo)電薄膜的穩(wěn)定性,前提條件是不能明顯弱化薄膜的光電性能,這也是具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。本文將針對(duì)銀納米線透明導(dǎo)電薄膜的失效現(xiàn)象和失效機(jī)理展開(kāi)深入分析,并總結(jié)應(yīng)對(duì)各種失效現(xiàn)象的有效方法。

圖1 銀納米線的不同失效形式Fig.1 Different failure modes of silver nanowires

1 銀納米線的失效形式及其原理

1.1 銀納米線的表面腐蝕

銀在大氣中的腐蝕主要受大氣污染物的種類和含量的影響。通常認(rèn)為,在氣態(tài)的空氣污染物中,二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)、氯化氫(HC1)、二氧化氮(NO2)、臭氧(O3)、羰基硫化物(OCS)和氨氣(NH3)是最有害的腐蝕劑[8-11]。大量研究表明,在上述氣體中,H2S和OCS對(duì)銀的腐蝕最為嚴(yán)重,盡管他們?cè)诖髿庵械臐舛群艿?但在水的配合下,足以在短時(shí)間內(nèi)使銀發(fā)生明顯的腐蝕[9]。與銅和鋁等其他金屬相比,銀的硫化是更常見(jiàn)的腐蝕方式,而氧化并不明顯,可能是由于氧化銀在常溫條件下的熱力學(xué)穩(wěn)定性較低的緣故,因此在本文中不做進(jìn)一步介紹。

一般認(rèn)為,銀在受到 H2S腐蝕之后,表面會(huì)生成一層硫化銀(Ag2S)納米晶體。其具體反應(yīng)如方程式(1)所示[8]：

當(dāng)有其他氣體如氧氣(O2)和 NO2存在時(shí),反應(yīng)(1)又會(huì)進(jìn)一步演化成反應(yīng)方程式(2)和(3)[8]：

OCS可以與水反應(yīng)生成 H2S,從而腐蝕銀。其具體反應(yīng)如方程式(4)所示[10]：

銀納米線在大氣環(huán)境中的失效形式與體相銀相似。Elechiguerra等[10]對(duì)銀納米線在大氣環(huán)境中的穩(wěn)定性做了一系列的研究。圖2是銀納米線儲(chǔ)存于大氣環(huán)境中不同時(shí)間后拍攝的透射電子顯微鏡(TEM)照片。由圖中可以看到,剛合成的銀納米線(圖2(a))表面是光滑的,但是在空氣中儲(chǔ)存三周后變得很粗糙(圖2(b)),且周圍開(kāi)始出現(xiàn)納米粒子。當(dāng)儲(chǔ)存時(shí)間延長(zhǎng)至4、5和24 w后,可以發(fā)現(xiàn)銀納米線表面生成了一層納米晶體(圖2(c～e))。對(duì)銀納米線表面納米晶的高分辨率TEM照片進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)分析,結(jié)合圖2(f)和表1數(shù)據(jù),可以證實(shí)銀納米線表面的納米晶體是硫化銀。這也說(shuō)明了雖然大氣環(huán)境中的氧氣和水汽的濃度比H2S高了幾個(gè)數(shù)量級(jí),但是硫化銀是主要的腐蝕產(chǎn)物。

1.2 銀納米線的熱失效

銀納米線在均勻的外部溫場(chǎng)中,當(dāng)溫度高于某一臨界溫度時(shí)會(huì)出現(xiàn)瑞利不穩(wěn)定性現(xiàn)象[12-15]。雖然體相銀的熔點(diǎn)在960 ℃以上,但是由于銀納米線的比表面積很高,因此其熔點(diǎn)比體相銀要小很多(可以低至 300 ℃左右)[16]。因?yàn)橹苽溷y納米線時(shí)一般采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作為形貌調(diào)節(jié)劑,當(dāng)銀納米表面殘存PVP分子時(shí),納米線之間的結(jié)電阻很大。在銀納米線透明導(dǎo)電薄膜的制備過(guò)程中,通常采用退火方法降低銀納米線之間的結(jié)電阻,但是眾所周知,過(guò)高的退火溫度會(huì)導(dǎo)致銀納米線球形化,從而使銀納米線轉(zhuǎn)化為孤立的銀顆粒[12-13],這就會(huì)使銀納米線失去滲流特性,最終導(dǎo)致薄膜功能失效[17]。銀納米線在加熱過(guò)程中的形態(tài)演變過(guò)程如圖3(a～d)所示。圖3(a)為兩根相鄰銀納米線搭接時(shí)的示意圖。當(dāng)銀納米線在退火時(shí),總表面能的減少驅(qū)動(dòng)結(jié)點(diǎn)處原子的遷移和納米線結(jié)構(gòu)重構(gòu)[12]。局部燒結(jié)降低了結(jié)電阻,最終也使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電阻降低(圖3(b))[17]。隨著熱負(fù)荷的持續(xù),結(jié)點(diǎn)處原子的進(jìn)一步遷移導(dǎo)致銀納米線結(jié)構(gòu)失穩(wěn),如圖3(c)所示。圖3(d)展示了銀納米線在接近失效極限(完全球形化之前)時(shí)的掃描電子顯微鏡(SEM)照片,此時(shí)薄膜中的銀納米線僅殘存了微弱的連接。

圖2 同一銀納米線樣品在環(huán)境條件下放置不同時(shí)間的透射電鏡照片[10]Fig.2 TEM images of the same AgNW sample stored for different time after exposure to air at ambient condtions[10]

表1 圖2(f)經(jīng)傅立葉變換(FFT)后測(cè)量所得晶面間距和晶面夾角[10]Table 1 Interplanar distances and angles between lattice planes from the FFT in Fig.2(f)[10]

為了進(jìn)一步了解銀納米線的熱失效機(jī)理,Hwang等[14]拍攝了在不同溫度下熱處理的銀納米線的SEM照片,如圖3(e～g)所示。從未進(jìn)行熱處理前銀納米線的SEM照片(圖3(e))中可以看到,銀納米線呈現(xiàn)完整的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。對(duì)其進(jìn)行 200 ℃的熱處理20 min后,銀納米線結(jié)點(diǎn)處開(kāi)始退化(圖3(f))。隨著退火溫度進(jìn)一步升高到 380 ℃,大部分的銀納米線已經(jīng)團(tuán)聚成球狀,SEM照片中已經(jīng)看不到完整的銀納米線網(wǎng)絡(luò)(圖3(g))。此時(shí),銀納米線薄膜的電阻非常大,而且由于銀粒子增加,光散射也會(huì)增強(qiáng),從而造成霧度上升。綜上,銀納米線的熱失效主要是熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的能量最小化效應(yīng)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)重構(gòu)引起的。因?yàn)榛暮豌y納米線處于同一溫場(chǎng)之中,只要基材不發(fā)生明顯的熱變形,對(duì)銀納米線的穩(wěn)定性就不會(huì)有太大的影響。

1.3 銀納米線的焦耳熱失效

當(dāng)銀納米線用于太陽(yáng)能電池、有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)、透明加熱器等器件中時(shí),在器件運(yùn)行過(guò)程中電流持續(xù)流過(guò)透明電極,產(chǎn)生的焦耳熱會(huì)導(dǎo)致銀納米線局域溫度升高,該效應(yīng)較均勻外部加熱對(duì)銀納米線結(jié)構(gòu)及導(dǎo)電性的破壞效果更嚴(yán)重[17]。

與連續(xù)導(dǎo)電薄膜(例如 ITO)中電流流經(jīng)薄膜的整個(gè)區(qū)域不同,在銀納米線電極中,電流只流經(jīng)納米線網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)電通道[18]。又由于在整個(gè)銀納米線網(wǎng)絡(luò)中,相鄰兩根銀納米線之間的連接處電阻最大[19-20],因而在有電流通過(guò)時(shí),結(jié)點(diǎn)處的溫度便會(huì)高于銀納米線網(wǎng)絡(luò)其他區(qū)域的溫度,形成局域化的“熱點(diǎn)”(圖4(a))[22]。特別是對(duì)于基材導(dǎo)熱性較差的器件,銀納米線產(chǎn)生的焦耳熱難以通過(guò)基材向外擴(kuò)散,進(jìn)一步導(dǎo)致了局域熱量的累積。

據(jù) Khaligh等[21]報(bào)道,當(dāng)銀納米線電極在電流密度為 10～20 mA/cm2的條件下工作時(shí),兩天之內(nèi)便會(huì)失效。電極失效是由于焦耳加熱導(dǎo)致銀納米線斷裂,從而在銀納米線網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生電不連續(xù)性,破壞導(dǎo)電通路。電極失效后典型的SEM照片如圖4(b～c)所示。電流長(zhǎng)時(shí)間流過(guò)電極后,銀納米線表面出現(xiàn)了納米顆粒(圖4(b))。在樣品的局部區(qū)域,銀納米線被分解成不連續(xù)的片段,如圖4(c)所示。

圖4 (a)電流通過(guò)兩根銀納米線網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)的有限元模擬[22];(b,c)方阻為12 Ω/□的銀納米線電極持續(xù)流過(guò)電流密度為17 mA/cm2的電流17 d后的SEM照片[21];(d～f)銀納米線網(wǎng)絡(luò)在焦耳熱作用下的SEM照片[22]：(d)銀納米線網(wǎng)絡(luò)局部斷裂;(e)熱點(diǎn)的擴(kuò)大;(f)熱點(diǎn)合并,形成電不連續(xù)區(qū)域Fig.4 (a) Finite-element simulation of the current flow through a two AgNW junction[22];(b,c) SEM images of a 12 Ω/□ AgNW electrode under a constant current density of 17 mA/cm2 for 17 d [21];(d-f) SEM image of AgNW network under Joule heating[22]：(d) Local fracture of the AgNW network;(e) Expansion of hot spots;(f) Hot spots merge to form an electrically discontinuous region

通過(guò)銀納米線網(wǎng)絡(luò)在焦耳熱作用下的 SEM 照片分析(圖4(d～f))可以詳細(xì)地了解到銀納米線電極結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律。從圖4(d)中可以看到,首先發(fā)生斷裂的是網(wǎng)絡(luò)比較稀疏區(qū)域的銀納米線結(jié)點(diǎn)處。每當(dāng)有一個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)生失效,可用來(lái)導(dǎo)電的納米線數(shù)量就會(huì)減少。如果繼續(xù)對(duì)樣品施加恒定電流,結(jié)點(diǎn)周圍區(qū)域的導(dǎo)電路徑將會(huì)承受比之前更高的電流密度,同時(shí),溫度也會(huì)進(jìn)一步上升,圖4(e)中的“熱點(diǎn)”將會(huì)不斷擴(kuò)大。若電流持續(xù)通過(guò),這些不連續(xù)的小片段最終將會(huì)合并,如圖4(f)所示,致使銀納米線網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)大面積的電不連續(xù)區(qū)域,嚴(yán)重破壞電極的導(dǎo)電通路,導(dǎo)致焦耳熱失效。焦耳熱失效通常表現(xiàn)為“雪崩式”爆發(fā),往往伴隨著基材的嚴(yán)重變形。

1.4 銀納米線的光降解

銀納米線在各種應(yīng)用中通常作為透明電極工作,因此不可避免地會(huì)受到紫外光和可見(jiàn)光的照射。與其他電極材料不同的是,銀納米線在長(zhǎng)期光照條件下表現(xiàn)出獨(dú)特而復(fù)雜的行為[23]。光照會(huì)在銀納米線上產(chǎn)生表面等離激元共振效應(yīng),使得銀納米線網(wǎng)絡(luò)局域溫度升高,形成“熱點(diǎn)”。與焦耳熱效應(yīng)類似,誘導(dǎo)銀離子的遷移,降低銀納米線之間的結(jié)電阻,同時(shí),過(guò)度的光照也加速了銀納米線向球形納米顆粒的轉(zhuǎn)化[24]。此外,除了銀顆粒的產(chǎn)生和遷移外,光照還會(huì)加速銀納米線表面的硫化[25]。這些都會(huì)影響銀納米線電極的實(shí)際應(yīng)用。

對(duì)銀納米線在光照條件下形貌變化的研究表明在光照誘導(dǎo)下生成的銀納米顆粒主要沿銀納米線呈直線分布(圖5(a)),生成原因是光照加劇了銀納米線的硫化[23]。大的銀納米線顆粒主要分布于兩根銀納米線的結(jié)點(diǎn)處,形貌呈多面體狀而不是球形,其成分是Ag,主要是由銀離子的遷移而產(chǎn)生的(圖5(b～d))。雖然在一開(kāi)始這種大顆粒的生成可以降低結(jié)點(diǎn)處的電阻,但是大納米顆粒的過(guò)度生長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致納米線直徑的損失,最終造成銀納米線的斷裂。歸根到底,銀納米線的光降解本質(zhì)上也是一種熱效應(yīng),與焦耳熱相似,該熱效應(yīng)也會(huì)形成局域化的“熱點(diǎn)”,從而顯著加速銀納米線的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)過(guò)程。

1.5 銀納米線的電遷移

銀納米線的電不穩(wěn)定性可以分為兩種狀態(tài)。除了上述的焦耳熱失效之外,還有一種失效形式稱為電遷移。電遷移通常是指在電場(chǎng)作用下,金屬離子發(fā)生遷移的現(xiàn)象。而銀的靜電放電損傷閾值較低,因此很容易發(fā)生電遷移現(xiàn)象[20]。

一般認(rèn)為,電遷移作為一種物質(zhì)的傳輸形式,通常是可逆的,其方向不僅與所施加的電場(chǎng)的極性有關(guān),也與金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。電遷移可以通過(guò)表面、晶界以及體相進(jìn)行物質(zhì)輸運(yùn)。電遷移的微觀驅(qū)動(dòng)力包括電子風(fēng)和電場(chǎng)力兩種。Sindermann等[26]研究發(fā)現(xiàn),電遷移的過(guò)程只是在電子的傳輸方向上是可逆的,但是對(duì)于微觀結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),電遷移是一種不可逆的失效形式。即使在電遷移的過(guò)程中產(chǎn)生的孔洞能夠被原子填滿,但是整個(gè)過(guò)程形成了新的晶界,對(duì)晶格造成了永久性的破壞,從而縮短了銀納米線電極的壽命。

通過(guò)圖6可以清楚地看到在電場(chǎng)力作用下空位的產(chǎn)生及其運(yùn)動(dòng)方向。圖6(b～i)表明,空位運(yùn)動(dòng)方向始終與電流流動(dòng)方向相反。仔細(xì)觀察圖6(f)還可以在空位的運(yùn)動(dòng)軌跡中看到一條模糊的黑線。這表明空位運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致晶格退化,為反向電流下的空位運(yùn)動(dòng)定義了一條首選路徑。因此可以看到在不同方向的電流作用下,初始路徑(紅線)與反向路徑(藍(lán)色)是重合的,即電遷移在方向上的可逆。圖6(k～n)更詳細(xì)的描述了銀納米線網(wǎng)絡(luò)在不同失效階段的電遷移現(xiàn)象。從圖6(l～n)可以看到,在失效過(guò)程中,銀顆粒的尺寸逐漸增大,電遷移使得較小的銀顆粒遷移形成較大的銀顆粒,此時(shí)可以看到出現(xiàn)了較小的空位團(tuán)(圖6(l))。這些顆粒將繼續(xù)生長(zhǎng),直到彼此分離,形成更大的孔洞(圖6(m))。電遷移過(guò)程會(huì)減少有效的導(dǎo)電通道數(shù)目,導(dǎo)致電流密度增大,從而進(jìn)一步增強(qiáng)電遷移,最終導(dǎo)致整個(gè)銀納米線網(wǎng)絡(luò)失效。這主要是由于電流密度越大,銀原子的動(dòng)量越大,溫度越高,電遷移過(guò)程越快[27]。電遷移失效并不是一種孤立的過(guò)程,而是一種熱激勵(lì)的過(guò)程,因此,與焦耳熱失效是緊密相關(guān)的。焦耳熱效應(yīng)會(huì)加速電遷移過(guò)程,反之則并不一定成立。

圖5 光照后銀納米線上或周圍出現(xiàn)的大、小顆粒的形貌圖[23]Fig.5 The morphology of the small nanodots and large particles emerged on/around silver nanowires after light irradiation[23]

2 解決措施

綜合上述分析,銀納米線的失效機(jī)理基本上可以分為三大類。一是大氣中的腐蝕氣體對(duì)其產(chǎn)生的腐蝕;二是銀納米線在均勻外部加熱、表面等離激元共振加熱以及局域焦耳熱效應(yīng)下發(fā)生的瑞利不穩(wěn)定現(xiàn)象,即斷裂及球形化;三是銀納米線在電場(chǎng)力作用下發(fā)生的電遷移失效。針對(duì)這三種失效形式,具體的解決措施如下。

圖6 雙晶銀納米線在54 mA電流下的SEM照片[26]Fig.6 SEM images of a bi-crystalline AgNW under a current of 54 mA[26]

2.1 抗腐蝕穩(wěn)定性

到目前為止,研究人員為了提高銀納米線電極在環(huán)境條件下的穩(wěn)定性,已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作。為了提高銀納米線抵抗氣體腐蝕的能力,比較常用的方法是將銀納米線嵌入聚合物基材中,以隔絕腐蝕性氣體與銀納米線的直接接觸。這種措施在一定程度上減緩了銀納米線的腐蝕,但是由于聚合物的厚度必須限制在納米尺度以保證薄膜的導(dǎo)電性,所以不能完全阻擋氣體的滲透,仍然難以完全消除銀線的腐蝕現(xiàn)象[28]。大面積單層石墨烯對(duì)氣體的阻隔效果更好,也被用于作為封裝層來(lái)提高銀納米線的耐腐蝕性,同時(shí)不會(huì)明顯弱化薄膜的光電性能,但是缺點(diǎn)是制備方法較復(fù)雜[29]。最近,Liu等[28]用自組裝的有機(jī)硫醇,2-巰基苯并咪唑(MBI)作為銀納米線的抑制劑,由于MBI抑制劑分子的巰基與銀具有很強(qiáng)的親和力,因此可以形成牢固的 Ag-S共價(jià)鍵,從而形成一層對(duì)腐蝕介質(zhì)(如 H2S)具有阻擋作用的保護(hù)層,且最終形成的復(fù)合電極在高溫高濕環(huán)境(85 ℃和85RH%)下,儲(chǔ)存4 m后仍表現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性(圖7(a))?？傊?在銀納米線表面形成阻礙氣體透過(guò)的保護(hù)層,是目前比較可行的提高銀納米線抗腐蝕穩(wěn)定性的方案。

2.2 熱穩(wěn)定性

為了提高銀納米線的熱穩(wěn)定性,可以采用熱穩(wěn)定性優(yōu)異的材料,例如氧化石墨烯[13]、還原氧化石墨烯[15]、TiO2[30]、ZnO[31]、Al2O3[14]等來(lái)封裝銀納米線電極,抑制銀原子的擴(kuò)散,從而在一定程度上提高銀納米線的熱穩(wěn)定性。其難點(diǎn)是為了使這種復(fù)合電極能夠廣泛應(yīng)用,封裝層應(yīng)該通過(guò)低成本、無(wú)真空、可擴(kuò)展的方法來(lái)制備,且應(yīng)滿足其厚度可調(diào)控,不弱化薄膜的光電性能。目前報(bào)道的方法(原子層沉積、自旋涂層和濺射)取得了較好的效果,同時(shí)也都存在成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、產(chǎn)量低、難度高等缺點(diǎn)。最近,Khan等[12]提出的大氣壓力空間原子沉積(AP-SALD),是一種可以在大氣壓力下工作的新的沉積方法。通過(guò)AP-SALD制備的ZnO-AgNW復(fù)合電極在500 ℃的條件下依舊保持良好的穩(wěn)定性,而普通的純銀納米線電極能承受的溫度僅有 300 ℃(圖7(b))。此外,ZnO保護(hù)層對(duì)銀納米線透明導(dǎo)電薄膜的光電性能影響很小。因此,如果該方法能進(jìn)一步與卷對(duì)卷生產(chǎn)工藝相結(jié)合,將成為提高銀納米線透明導(dǎo)電薄膜熱穩(wěn)定性的較為理想的方案。

2.3 電遷移穩(wěn)定性

近年來(lái)金屬材料中電遷移的研究較多,但是對(duì)于銀納米線的電遷移研究并不深入。解決銀納米線電遷移穩(wěn)定性問(wèn)題,主要通過(guò)抑制銀原子在銀納米線表面的擴(kuò)散來(lái)實(shí)現(xiàn),在銀納米線表面包覆保護(hù)層的方法同樣會(huì)起到效果。例如,上文提到的Liu等[28]也對(duì)提高銀納米線的電穩(wěn)定性做出了相關(guān)研究。原始的銀納米線加熱器在電壓為9 V的情況下,在不到30 s的時(shí)間內(nèi)溫度就能上升至110 ℃,且持續(xù)加壓4 min后就會(huì)發(fā)生失效。而用自組裝的有機(jī)硫醇MBI作為銀納米線的抑制劑后,電極在接通12 V的電壓后溫度也只上升到了130 ℃,且持續(xù)加壓10 min后電極都沒(méi)有發(fā)生失效現(xiàn)象。除此之外,Khan等[12]也發(fā)現(xiàn),使用 AP-SALD方法沉積 ZnO層后,銀納米線的失效電壓可以從9 V提升到最高的18 V?？紤]到智能手機(jī)等的觸控屏的驅(qū)動(dòng)電壓一般不超過(guò)12 V,以上方案如果能在更苛刻的高溫高濕條件下在更長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間內(nèi)(例如200 h)表現(xiàn)出電遷移穩(wěn)定性,那么基本上可以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的需求。

圖7 針對(duì)銀納米線的失效形式所提出的具體解決措施Fig.7 Remedy strategy of silver nanowire degradation

3 總結(jié)與展望

銀納米線透明導(dǎo)電薄膜材料的結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性是非常值得關(guān)注的重要科學(xué)問(wèn)題,該問(wèn)題的深入研究,是這種戰(zhàn)略性新材料最終能夠進(jìn)入市場(chǎng),創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值的前提。本文對(duì)于銀納米線及其透明導(dǎo)電薄膜材料的失效現(xiàn)象進(jìn)行了總結(jié)和歸納,提出最主要的三種失效現(xiàn)象,即氣體腐蝕、熱失穩(wěn)和電遷移,并分析了這三種失效現(xiàn)象的微觀機(jī)制,進(jìn)一步提出相應(yīng)的解決措施。相信,隨著研究的進(jìn)一步深入,銀納米線及其透明導(dǎo)電薄膜材料的失效問(wèn)題會(huì)得以解決,而這種重要的新材料也會(huì)在柔性電子等領(lǐng)域發(fā)揮其關(guān)鍵作用。