一种飞秒激光烧蚀制备柔性透明电极材料的方法技术

本发明专利技术公开了一种激光加工铜薄膜制备柔性透明电极材料的方法及其制备方法，特点是柔性透明电极材料是由飞秒激光烧蚀柔性铜薄膜得到的。其优点是加工过程简单且精度高；该柔性透明电极材料的透光率为91.8％，方块电阻为15.1Ω/sq；机械性能好、粘附性强、耐热性及热稳定性好。稳定性好。稳定性好。

【技术实现步骤摘要】
一种飞秒激光烧蚀制备柔性透明电极材料的方法


[0001]本专利技术涉及微纳加工
，尤其是一种涉及激光加工领域的飞秒激光烧蚀铜薄膜制备柔性透明电极的方法。

技术介绍

[0002]目前，公知的透明电极材料应用最广泛的是氧化铟锡(ITO)，但是，ITO的脆性容易使材料弯曲时产生断裂即机械性能差，铟又是稀有材料导致ITO薄膜的成本高，铟对人体及环境都有危害，而且传统的ITO溅射是一个速度较慢，因此生产过程中靶材浪费严重。柔性透明电极材料要求有较好的光电性能(透射率高、方块电阻小)，价格便宜且机械性能好，对人体和环境无毒无害。基于ITO的诸多缺点，许多研究者已经研究出了替代材料，如金属纳米线、金属网格、碳纳米管、石墨烯等材料。然而，与ITO相比它们的光电性能较差、制备流程复杂、生产成本较高，给光电器件的大规模生产带来了极大的挑战。
[0003]铜网格柔性透明电极是一种新型的柔性透明电极，其特点是具有高的可见光透射率较低的方块电阻。由于较低的方块电阻，提高了加热效率进而降低了器件的功耗，并且较强的机械性能，可以应用到柔性屏、电子皮肤、可穿戴设备等器件上。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的问题是在保证较小方块电阻的情况下增加透射率，并且保证材料的耐弯曲性、粘附性、耐用性、热稳定性，低成本制造高性能的柔性透明电极。
[0005]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：
[0006]一种柔性透明电极材料的制备方法，利用磁控溅射系统在柔性衬底上沉积铜膜，得到柔性铜薄膜；在常温条件下，采用飞秒激光烧蚀柔性铜薄膜，通过计算机辅助设计系统控制电动位移台移动速度，保证加工后的激光烧蚀铜薄膜具有合适的面密度。
[0007]本专利技术利用飞秒激光对柔性铜薄膜进行冷加工，飞秒激光的冷加工减小了材料表面的粗糙程度，从而保证了柔性铜薄膜的透光率和电阻率。通过循环拉伸弯曲测试、粘附性测试、循环开关温度测试的试验，检测性能的好坏。
[0008]在一些实施例中，所述的柔性薄膜是以PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)材料为柔性衬底，镀上一层10
‑
30nm铜的柔性铜薄膜。优选的，所述柔性衬底厚度为90
‑
150μm。
[0009]在一些实施例中，镀上一层铜的柔性铜薄膜之前，可镀上一层1
‑
5nm的铬膜。
[0010]在一些实施例中，所述磁控溅射系统为TRP
‑
450，以金属铜为例，使用磁控溅射法制备柔性金属铜薄膜时，分别在0.6mm和0.12mm厚度的石英衬底和PEN衬底上沉积约0.5nm的金属铬(电流0.1A，压力0.6Pa，沉积时间5s)，主要是用来提高薄膜的黏附性，之后再沉积20nm的金属铜铜(电流0.3A，压力0.5pa，沉积时间160s)。
[0011]在一些实施例中，所述的飞秒激光是由钛宝石飞秒激光器产生的，波长范围为800nm，脉冲频率1000Hz，脉冲宽度为130fs，平均功率是2W。
[0012]在一些实施例中，采用飞秒激光烧蚀时，激光能量密度为2.3J/cm2保证烧蚀半径
约为10μm。
[0013]在一些实施例中，控制电动位移台移动速度，要求最大移动速度：500mm/s，分辨率：500nm。
[0014]在一些实施例中，激光烧蚀铜薄膜面密度为0.37(面密度定义为烧蚀后剩余金属面积与总面积之比，计算公式为其中Ad:面密度，d：圆心距，r：烧蚀孔洞半径)；
[0015]优选的，激光烧蚀铜薄膜面密度为0.37，即可得到透光率为91.8％，方块电阻为15.1Ω/sq的柔性透明电极材料。
[0016]在一些实施例中，所述的柔性透明电极材料应用于触摸屏面板和透明加热器除雾装置。
[0017]与现有的技术相比，本专利技术的优点在于：
[0018](1)制备方法简易：本专利技术使用飞秒激光直接烧蚀金属薄膜，在常温环境下就可以完成，并且不需要其他工艺做进一步处理，可一步完成金属网格透明电极的制备。
[0019](2)灵活性强：本专利技术制备过程使用计算机辅助系统控制移动的速度和方向，可以灵活的加工出想要的图形。
[0020](3)性能优异：本专利技术制备的样品拥有较高的透光率(91.8％)，拥有较小的方块电阻(15.1Ω/sq)，对金属铜薄膜技工的现有技术中无法实现和达到上述性能指标。除此之外，以PEN材料为衬底，保证了材料的柔性，不同弯曲半径时的R/R0小于1％；还具有优良的机械耐久性，在10000次弯曲循环后，R/R0小于1％。
[0021](4)加工精度较高：本专利技术在使用飞秒激光加工过程中，可通过改变物镜数值孔径(NA)和激光能量来改变烧蚀孔洞的大小，最小直径可达几微米。此外，各个烧蚀孔洞之间距离最小为几百纳米。
[0022](5)实用性较强：本专利技术给出了触摸面板和除雾装置的演示，触摸屏的反应灵敏，除雾速度较快，进一步说明了本专利技术的实用性强。
附图说明
[0023]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
[0024]图1为本专利技术的飞秒激光搭建光路图；
[0025]图2为本专利技术的激光加工原理示意图；
[0026]图3为本专利技术的激光烧蚀铜薄膜的烧蚀阈值拟合图；
[0027]图4为本专利技术的激光烧蚀铜薄膜表面扫描电子显微镜图；
[0028]图5为本专利技术的激光烧蚀铜薄膜表面光学显微镜图；
[0029]图6为本专利技术的激光烧蚀铜薄膜表面原子力显微镜图；
[0030]图7为本专利技术的柔性透明电极不同面密度的可见光透射率关系图；
[0031]图8为本专利技术的柔性透明电极在550nm波长透射率与方块电阻的关系图；
[0032]图9为本专利技术的柔性透明电极不同面密度的方块电阻图；
[0033]图10为本专利技术的循环弯曲电阻变化图；
[0034]图11为本专利技术的柔性透明电极电阻随曲率变化图；
[0035]图12为本专利技术的弯曲温度变化图；
[0036]图13为本专利技术的3M胶带粘附性测试图；
[0037]图14为本专利技术的LED阵列电路串联柔性透明电极加热图；
[0038]图15为本专利技术的柔性透明电极随电压变化的温度图；
[0039]图16为本专利技术的柔性透明电极与商用ITO循环开关温度测试对比图；
[0040]图17为本专利技术的红外图像与照片的对比图；
[0041]图18为本专利技术的柔性透明电极不同方块电阻下温度阶跃型变化曲线图；
[0042]图19为本专利技术的加热除雾装置图；
[0043]图20为本专利技术的四线式触摸屏面板演示图。
具体实施方式
[0044]为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本专利的技术方案。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性透明电极材料的制备方法，其特征在于，利用磁控溅射系统在柔性衬底上沉积铜膜，得到柔性铜薄膜；在常温条件下，采用飞秒激光烧蚀柔性铜薄膜，通过计算机辅助设计系统控制电动位移台移动速度，保证加工后的激光烧蚀铜薄膜具有合适的面密度。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射系统为TRP
‑
450，Cr：电流0.1A，压力0.6Pa，沉积时间5s。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的柔性薄膜是以PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)材料为柔性衬底，镀上一层1nm铬和20nm铜的柔性铜薄膜。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述柔性衬底厚度为120μm。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：亓东锋，赵文浩，刘玉涵，郑宏宇，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：