Sci. China Mater.：光焊接纳米粒子——从金属溶胶到自支撑、导电性金属薄膜

【引言】

随着纳米科学技术的飞速发展，纳米科学的研究重点已从基础的“材料与结构的合成、表征”到面向应用的“系统集成与器件功能化”方向发展。以独立、无序的低维纳米材料为建筑“单元”，自下而上构筑功能性二维或三维结构薄膜或器件就是其中的一个重要发展方向。具有高导电特性、柔性可弯曲的金属纳米薄膜是一种新型的纳米功能材料，它在透明导电电极、化学传感器、催化和光电器件等方面具有广泛应用。

目前，导电金属薄膜通常采用真空气相沉积（如溅射、电子束蒸发、分子束外延等）方法加工，也可采用溶液加工的方法 (如自组装、旋涂、滴涂、LB膜沉积等)由化学合成的金属纳米粒子制备而成。真空沉积的方法需要昂贵的大型仪器，加工成本较高。尽管采用溶液加工方法成本较低，但薄膜中的金属粒子往往是无序堆积状态、存在大量的粒子间隔，从而影响金属薄膜传递电子的能力。发展可溶液加工的金属纳米薄膜材料、并能灵活地调控其包括导电性在内的多种性能，将既能降低金属薄膜的制备成本又能促进其在多方面的应用。

【成果简介】

近日，湖南大学化学化工学院胡家文教授、物理与微电子科学学院胡伟助理教授与段镶锋教授（共同通讯作者）领衔的微纳系统与器件团队合作，发展了一种光焊接制备自支撑、高导电性网状金属薄膜的方法。该方法先利用油-水界面快速组装出大面积(> 10 cm²)的金或银纳米粒子薄膜，再用普通氙灯光照移除油相后遗留在水-气界面上的金属粒子薄膜。研究发现光照可以加速粒子表面原子的溶解，形成局部过饱和溶液。溶解的原子再沉积填充在相邻粒子的纳米间隔内，实现焊接，从而消除了粒子间隔的电阻。

以银纳米粒子薄膜为例，自组装薄膜的面电阻约为55 Ω/sq，光照5 min后面电阻迅速减小到15 Ω/sq。当光照时间延长到1 h时，金属薄膜的面电阻进一步减少到2 Ω/sq。焊接后银纳米粒子薄膜的面电阻减小了约30倍，具有和同样厚度的体相金属薄膜相当的导电性，可以作为柔性电极用于光电功能器件。例如，利用该金属粒子薄膜作为叉指电极的钙钛矿光电探测器展现出了良好的性能。

【图文导读】

图1. 制备和转移金属纳米粒子薄膜过程示意图

（a）通过界面自组装和光焊接法制备金属纳米粒子薄膜的过程示意图。

（b，c，d）分别为在水-空气界面以及在不锈钢网格、PET膜上光焊接的Ag NP（纳米颗粒）薄膜的照片。

图2. 不同光照时间制备的Ag NP薄膜的SEM图

（a）（b）（c）（d）分别为银纳米粒子经过0，20，40和60分钟光照制备的金属薄膜SEM图。在光焊接之前，大多数纳米颗粒只在物理上相互接触，随着焊接时间的增加，膜中的纳米粒子逐渐焊接在一起，并最终完全合并在一起，形成高度互连的二维网络结构。

图3. 不同光照时间制备的AuNP薄膜的SEM图

（a）（b）（c）（d）分别为55 nm金纳米粒子经过0，20，40和60分钟光照制备的金属薄膜SEM图。Au NP薄膜的SEM图清楚地表明，最初的离散纳米颗粒通过增加照射时间可以被焊接成一个高度互连的网络结构。

图4. 金属纳米粒子薄膜的TEM和HRTEM图

（a，c）分别为在水-空气界面光照焊接1小时的Ag和Au NP薄膜的TEM图像。

（b，d）分别Ag和Au NP薄膜颗粒结的HRTEM图像。

图5. Ag和55nmAu NP薄膜的电学性能

（a，c）银纳米粒子薄膜电流-电压曲线和光照时间对面电阻的影响。

（b，d）55 nm金纳米粒子薄膜电流-电压曲线和光照时间对面电阻的影响。

图6.银纳米粒子薄膜作为叉指电极构建的钙钛矿光电探测器的性能

（a）利用银纳米粒子薄膜作为布线一部分的蓝色发光二极管。

（b）光电探测器的示意图。

（c）光电探测器的电流-电压曲线。

（d）光电流对光强度的依赖关系。

（e，f）不同光强度照射下的外量子效率和响应率。

【小结】

这一发现将纳米粒子界面自组装技术与光焊接技术相结合，可以将液相金属溶胶加工成高柔性、鲁棒性和导电性的金属粒子薄膜。这不仅可以促进金属粒子薄膜自身的应用，而且可以促进全液相加工的电子和光电器件的发展。

文献链接：Light welding nanoparticles: from metal colloids to free-standing conductive metallic nanoparticle film（Sci. China Mater., 2017, Doi: 10.1007/s40843-016-5136-6）

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本文由Science China Materials编辑部投稿，材料人编辑部风之翼整理编辑。

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