纳米连接及柔性器件应用领域获重要技术突破

集成电路制造领域著名的摩尔定律日益接近硅的制造极限，后摩尔时代三维系统级封装、柔性电子、智能传感等将成为重要解决方案。当前中美贸易摩擦的大背景下，开发自主可替代的高端电子器件和电子材料，突破电子制造装备和关键技术的瓶颈迫在眉睫。哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室田艳红教授团队长期致力于先进电子封装与可靠性、微纳连接及柔性器件等领域的研究。近几年来，团队在国家自然科学基金委优秀青年基金项目、哈尔滨工业大学青年科学家工作室计划、黑龙江省头雁团队计划的支持下，在纳米连接与柔性器件应用方面的研究取得进展。提出多种新颖的金属纳米材料连接方法，提升了纳米金属线导电薄膜的导电性和稳定性，初步实现了在可拉伸传感器、柔性OLED、RFID射频天线、电致变色器件等领域的应用，获得领域内诸多同行关注。

1.金属纳米线室温超快连接制备柔性可拉伸导电薄膜

团队提出一种新颖的自限制纳米原位反应连接方法，实现了纳米银线的快速室温连接，基于该法制备了高性能的电加热薄膜产热均匀，在6V下30s响应时间内达到145℃，其加热速度和功率密度优于基于石墨烯、碳纳米管等材料开发的柔性透明加热薄膜。采用该方法可以实现大面积、可水洗柔性导电薄膜的制备，并将该薄膜成功应用于柔性OLED封装中。该研究成果以“Self-limitednanosolderingofsilvernanowiresforhigh-performanceflexibletransparentheaters”为题发表于国际期刊ACSAppliedMaterials&Interface（2019）。同年，团队通过在银纳米墨水内添加共轭导电高分子纳米颗粒（聚苯胺），成功制备了共轭高分子纳米颗粒掺杂的导电油墨，仅仅掺杂0.5%的导电高分子纳米颗粒，即使导电性能相对于传统导电油墨提升了33倍。基于印刷技术制备了高性能可拉伸导电薄膜，并将其应用于超高频电子标签（RFID）天线电路印刷中，展现了在物联网（IOT）领域及柔性传感器领域的广阔应用前景，该成果以“Fabricationofhighperformanceprintedflexibleconductorsbydopingofpolyanilinenanomaterialsintosilverpaste”为题发表于JournalofMaterialsChemistryC2019）。


团队于2015年开始探索纳米连接方向的研究，将连接的尺度从微米尺度成功跨越到纳米尺度。2016年，团队与大阪大学合作，采用光辐照法实现了铜纳米线的可靠超快连接，成功将铜纳米线嵌入聚氨酯（PU）及聚二甲基硅氧烷（PDMS）内部，获得高可靠的可拉伸导电薄膜。使用光烧结技术一步完成了铜纳米线导电薄膜的制备，整个过程仅仅用20μs，并且在室温下空气氛围中完成，能够实现与卷对卷涂布生产线的组装。光烧结技术与传统烧结相比有明显的优势：更快实现了现铜纳米线之间的可靠连接；有效去除了铜纳米线表面的有机物和氧化物；铜纳米线整个导电网络整个埋入到有机薄膜的表面，提高了导电薄膜的机械稳定性，成功实现了在可穿戴的应力传感器的应用。论文首次揭示了光辐照纳米线连接中的光热转换、表面等离子共振效应及去除氧化的混合作用机制。研究成果以“One-StepFabricationofstretchablecoppernanowireconductorsbyafastphotonicsinteringtechniqueanditsapplicationinwearabledevices”为题发表于ACSAppliedMaterials&Interface（2016）。该成果发表后引起国内外学者广泛关注，现已被引用93次。


2.成功制备了高度稳定的金属纳米线柔性透明导电薄膜

2020年，团队基于金属共沉积技术在铜纳米线表面包覆了银金合金防护层，大幅度提高了铜纳米线柔性导电薄膜的化学和电化学稳定性，并基于此制备了电致变色/能量存储双功能器件，展示了柔性导电薄膜在能源领域的巨大应用潜力，该研究成果以“HighlystableflexibletransparentelectrodeviarapidelectrodepositioncoatingofAg-Aualloyoncoppernanowiresforbifunctionalelectrochromicandsupercapacitordevice”为题发表于杂志ChemicalEnigneeringJournal（2020）。


3.水/湿气高性能纳米自供电新技术

2020年团队与加拿大滑铁卢大学合作，基于镁合金材料和表面氧化碳纳米纤维的直接接触，通过调节碳纳米材料的结构和表面氧化状态，成功制备出具有高输出电压（2.65V）、高电流密度(~6mA/cm2)、高灵敏度(<10ms)的水/湿气自供电器件。该研究将表面氧化碳纳米电极的赝电容效应同电极反应相结合，产生高于镁合金还原电势的电压值，并极大提高了灵敏度。在实际应用中，该器件的电压电流输出信号对环境湿度变化具有较高的灵敏度，可用于自供电湿度/湿气检测；与此同时，在液态水存在的情况下，可长时间输出电能，为自供电漏水检测、生物传感器件提供能量来源。研究成果以“Highperformancemagnesium-carbonnanofiberhygroelectricgeneratorbasedoninterface-mediationenhancedcapacitivedischargingeffect”为题于2020年5月发表于杂志ACSAppliedMaterials&Interfaces上。


先进焊接与连接重点实验室在纳米连接领域的研究实现了连接在纳-微-宏（Macro-Micro-Nano）跨尺度的飞跃，为新型柔性电子器件发明了新概念的纳米连接方法，阐述了不同能场作用下纳米材料之间的特殊作用规律，提出了全新的纳米连接界面冶金理论，促进了材料科学与微电子制造交叉学科的发展。后摩尔时代，纳米连接、纳米烧结技术在柔性电子、智能传感、功率芯片封装领域的应用必将大放异彩，而柔性电子、智能传感器件在航空、航天、信息、能源、医疗、生命健康领域展现了巨大的应用潜力，成为领域研究热点。