一种高精度图案化可拉伸电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高精度图案化可拉伸电极及其制备方法。所述高精度图案化可拉伸电极，为贴附于弹性基底上的图案化电极；图案化电极为连接碳纳米管的金属电极；金属电极为金电极；金属电极通过巯基乙胺与所述碳纳米管连接。所述高精度图案化可拉伸电极按照包括如下步骤的方法制备：在设有电极图案的衬底上蒸镀金属得到金属电极；在金属电极的表面喷涂碳纳米管；在碳纳米管的表面上制备弹性基底，从衬底上剥离后即得。本发明专利技术提供的图案化可拉伸电极，结合传统金电极电导率高和碳纳米管高纵横比，比表面积大的优点，充分实现了优势互补，制备出高拉伸性能兼具良好导电性的高精度图案化可拉伸电极。

A high precision patterned stretchable electrode and its preparation method

The invention discloses a high-precision patterned stretchable electrode and a preparation method thereof. The high-precision patterned stretchable electrode is a patterned electrode attached to an elastic substrate; the patterned electrode is a metal electrode connecting carbon nanotubes; the metal electrode is a gold electrode; and the metal electrode is connected to the carbon nanotubes through mercaptoethylamine. The high-precision patterned stretchable electrode is prepared according to a method comprising the following steps: metal electrodes are obtained by evaporating metal on a substrate with an electrode pattern; carbon nanotubes are sprayed on the surface of the metal electrode; and elastic substrates are prepared on the surface of the carbon nanotubes and stripped from the substrate. The patterned stretchable electrode provided by the invention combines the advantages of high conductivity of traditional gold electrode, high aspect ratio of carbon nanotubes and large specific surface area, fully realizes complementary advantages, and produces high-precision patterned stretchable electrode with high tensile performance and good conductivity.

【技术实现步骤摘要】
一种高精度图案化可拉伸电极及其制备方法
本专利技术涉及一种电极及其制备方法，具体涉及一种高精度图案化可拉伸电极及其制备方法，属于电极制备领域。
技术介绍
随着弹性仿生电子皮肤、可穿戴智能设备、柔性智能显示产品等新一代电子设备的飞速发展，可拉伸导电材料倍受研究者的关注。目前，可拉伸导电材料种类繁多，主要分为金属类、导电聚合物类、碳材料类等，它们在未来显示出巨大的应用前景。例如：利用结构化金膜、银纳米线、导电聚合物、碳纳米管、石墨烯等多种导电材料，已经实现了可拉伸应力、压力、温度、多功能传感器，以及可拉伸锂离子电池、LED、晶体管等。由于金具有高电导率、良好机械延展性、卓越稳定性等优点，成为目前电子器件应用最为广泛的电极材料，但是独立金膜在拉伸过程中应力超过1％时会发生断裂，导致其不导电，这样会限制电极在发生动态形变时的应用。为了提高金电极拉伸性能，先前研究人员将金与弹性体相结合制备成大面积的金薄膜。锁志刚课题组基于预拉伸弹性体技术，制造弹性电子表面的可拉伸互连，使金导体在PDMS薄膜上具有很好的拉伸性能(ProceedingsoftheIEEE2005,93,1459)。Pardoen课题组利用粗糙度效应与弹性体的预拉伸相结合，使金薄膜形成随机皱纹结构，从而进一步提高金膜拉伸性能(ActaMaterialia2013,61,540)。Khine课题组利用预拉伸的方法制造柔性褶皱的可拉伸金属薄膜，使原本脆弱的金属薄膜可以拉伸到200％以上(AppliedPhysicsLetters2016,108,061901)。上述方法的共同点都是采用预拉伸方法，在拉伸过程中，金膜会形成导电通路而保持电连续性。然而这种方法存在的主要缺点是可拉伸金膜尺寸较大，不具备高精度图案化，难以进一步应用于电子器件中。为了克服这一缺点，Rogers课题组采用粘合蛇形互连的预应变策略，岛桥结构图案化设计，可以显著提高金属电极的机械拉伸性能(AdvancedFunctionMaterials2014,24,2028)。然而这种方法存在一些缺点，一方面制备的器件集成度低；另一方面由于岛桥结构采用非共面设计会导致贴合类皮肤等电子产品的接触面积减少，影响信号的保真度。因此，需要提供一种高拉伸性兼具良好导电性的高精度图案化可拉伸电极及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高精度图案化可拉伸电极及其制备方法，本专利技术结合金电极电导率高和碳纳米管高纵横比、比表面积大的优点，充分实现了优势互补，采用光刻技术得到了高拉伸性兼具良好导电性的高精度图案化可拉伸电极；本专利技术使用传统的光刻技术，可以制备精度高、复杂的图案，方便实用。本专利技术高精度图案化可拉伸电极，其中，“高精度”指的是电极的图案的线条宽度小于100μm。本专利技术所提供的高精度图案化可拉伸电极，为贴附于弹性基底上的图案化电极；所述图案化电极为连接碳纳米管的金属电极；所述金属电极的厚度小于100nm，如25nm。本专利技术高精度图案化可拉伸电极中，所述金属电极可为金电极。本专利技术高精度图案化可拉伸电极中，所述金属电极通过巯基乙胺与所述碳纳米管连接，所述巯基乙胺的巯基基团能与金发生类配位作用结合在一起，具有非常强的作用力，另一端的氨基与碳纳米管连接，从而实现所述金属电极(金电极)与所述碳纳米管的连接。经修饰所述巯基乙胺，能够显著提高本专利技术高精度图案化可拉伸电极的拉伸性能；如经本专利技术具体实施方式验证，在施加相同拉伸应变下，修饰巯基乙胺的Au/SWCNTs高精度图案化可拉伸电极相比不修饰的具有更好的拉伸性能达175％。本专利技术高精度图案化可拉伸电极中，所述碳纳米管的层数可为25～30；如经本专利技术具体实施方式验证，喷涂25～30层碳纳米管的高精度图案化可拉伸电极的电阻变化最小，比较稳定。所述图案化电极的图案的线条宽度可小于100μm，如30～100μm、50～100μm、50μm或100μm；如经本专利技术具体实施方式验证，不同高精度线条图案的可拉伸电极在同一拉伸应变下，100μm宽线条图案的可拉伸电极电阻变化最小，比较稳定。所述弹性基底可为PDMS基底，具有良好的柔性。本专利技术所述高精度图案化可拉伸电极可按照包括如下步骤的方法制备：(1)在设有电极图案的衬底上蒸镀金属得到所述金属电极；(2)在所述金属电极的表面喷涂所述碳纳米管；(3)在所述碳纳米管的表面上制备所述弹性基底，从所述衬底上剥离后即得到所述高精度图案化可拉伸电极。上述的制备方法中，步骤(1)中，所述衬底可为硅或玻璃；步骤(1)之前首先清洗所述衬底：依次采用无水乙醇、二次去离子水清洗，再用氮气吹干。上述的制备方法中，步骤(1)中，所述衬底上修饰有十八烷基三氯硅烷，具体可按照下述步骤进行修饰：将清洗后的所述衬底静置于食人鱼溶液(体积比为7：3的质量浓度为95％～98％的浓硫酸与质量浓度为30％过氧化氢的混合溶液)中浸泡30分钟，然后取出用二次去离子水超声清洗；再将所述衬底置于正庚烷与十八烷基三氯硅烷体积比为1000：1的混合溶液中，即在所述衬底表面连接上所述十八烷基三氯硅烷。上述的制备方法中，利用光刻的方法制备所述电极图案，包括如下步骤：在所述衬底上旋涂光刻胶，经加热后置于365nm下的紫外灯下进行曝光，然后依次经显影和定影；具体可按照如下步骤进行：在所述衬底上旋涂一层AZ5200NJ光刻胶；然后把旋涂好光刻胶的衬底放在100度的烘台上加热3min；再把加热后旋有光刻胶的衬底在365nm的紫外灯下曝光10s；再把曝光之后的衬底放入显影液中显影60s；去离子水定影为30s。上述的制备方法中，步骤(1)中，采用真空蒸镀的方法制备所述金属电极；所述真空蒸镀的条件如下：真空度为10-6～10-7torr，蒸镀速率为0.01～0.05nm/s。上述的制备方法中，步骤(2)中，在喷涂所述碳纳米管之前，所述方法还包括在所述金属电极的表面修饰巯基乙胺的步骤；可按照下述方法修饰所述巯基乙胺：在常温条件下，将样品静置于巯基乙胺溶液(溶剂可为二次去离子水)中浸泡5～30分钟，即能实现所述巯基乙胺的巯基基团与金的配位结合。上述的制备方法中，步骤(2)中，喷涂所述碳纳米管的步骤如下：于烘台(如150℃)上，采用喷枪喷涂所述碳纳米管，然后置于硝酸溶液中(去除碳纳米管中的杂质)，最后经清洗(二次去离子水)即可形成致密的薄膜；所述碳纳米管可为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。上述的制备方法中，步骤(3)之前，去除所述光刻步骤采用的光刻胶；可将样品放入丙酮溶液中，等待30s，用注射器进行辅助去除所述光刻胶。上述的制备方法中，所述弹性基底为PDMS基底时，采用旋涂的方式制备所述PDMS基底，然后进行固化；所述旋涂的条件如下：转速为2000～4000r/s，旋涂时间为40～60s；所述固化的条件如下：温度为70℃～100℃，时间为12～2小时。本专利技术提供的高精度图案化可拉伸电极可用于可穿戴和可植入电子产品中；所述高精度图案化可拉伸电极作为导电连接线及功能部分。本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术制备的图案化电极具有优异的可拉伸性、柔性以及可贴合性；(2)本专利技术提供的制备方法，可在室温下操作，图案化过程中溶液处理不会对可拉伸电极的导电性造成影响；(3)本专利技术方法使用光刻技术制备可拉伸电极，可以制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高精度图案化可拉伸电极，为贴附于弹性基底上的图案化电极；所述图案化电极为连接碳纳米管的金属电极。

【技术特征摘要】
1.一种高精度图案化可拉伸电极，为贴附于弹性基底上的图案化电极；所述图案化电极为连接碳纳米管的金属电极。2.根据权利要求1所述的高精度图案化可拉伸电极，其特征在于：所述金属电极为金电极。3.根据权利要求1或2所述的高精度图案化可拉伸电极，其特征在于：所述金属电极通过巯基乙胺与所述碳纳米管连接。4.根据权利要求1-3中任一项所述的高精度图案化可拉伸电极，其特征在于：所述碳纳米管的层数为25～30；所述图案化电极的图案的线条宽度小于100μm；所述弹性基底为PDMS基底。5.权利要求1-4中任一项所述高精度图案化可拉伸电极的制备方法，包括如下步骤：(1)在设有电极图案的衬底上蒸镀金属得到所述金属电极；(2)在所述金属电极的表面喷涂所述碳纳米管；(3)在所述碳纳米管的表面上制备所述弹性基底，从所述衬底上剥离后即得到所述高精度图案化可拉伸电极。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述衬底上修饰有十八烷基三氯硅烷；利用光刻的方法制备所述电极图案；步骤(3)之前，去除所述光刻步骤采用的光...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓丽，汤庆鑫，童艳红，杨硕，孙子晶，
申请(专利权)人：东北师范大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22