纳米线“墨水”使纸基印刷电子产品成为可能

通过将微小的金属纳米粒子悬浮在液体中，杜克大学的科学家们正在开发喷墨打印机的导电“墨水”，来在几乎任何表面上打印廉价的、可定制的电路图案。

印刷电子，已经在一些器件例如通常在新DVD后面能够找到的防盗射频识别(RFID)标签上被广泛地大规模应用，其目前有一个主要的缺点：为了使该电路能够工作，首先必须将其进行加热，使所有的纳米颗粒熔化结合成一个单一的导电丝，这使得其无法在廉价的塑料或纸上印刷电路。

杜克大学的研究人员完成的一项新研究表明，调整墨水中的纳米粒子的形状可以消除对加热的需求。

通过比较由不同形状的银纳米结构制成的薄膜的导电性能，研究人员发现，电子通过银纳米线制成的薄膜要比通过其他形状例如纳米球或微盘制成的薄膜要容易得多。事实上，电子流过纳米线制成的薄膜是如此容易，以致于都不需要将它们熔化在一起就可以用在印刷电路中了。

杜克大学化学系助理教授Benjamin Wiley说：“纳米线的导电率比在RFID标签的印刷天线上可以找到的常用银纳米粒子高出4000倍。所以，如果你使用纳米线，那么你不需要将印刷电路加热到那么高的温度，你可以使用更便宜的塑料或纸张。”

Wiley补充说：“除了这些银纳米线之外，我真的想不到还有什么东西能够像这样简单的打印出来，没有任何后处理，就可以直接导电。”

这些类型的印刷电子的应用可能远远超出智能包装;研究人员设想利用该技术来制造太阳能电池、印刷显示器、LED、触摸屏、放大器、电池甚至一些植入式生物电子器件。该研究结果发表在12月16日的《ACS应用材料与界面》在线版上。

Wiley说，银已成为一种制造印刷电子材料的原料，最近出现的许多研究展示了对不同形状的银纳米结构薄膜的电导率的测量。然而，实验误差使得很难在不同形状之间进行直接比较，还有少量报道将薄膜的导电性与所用的银的总质量联系了起来，这是使用昂贵材料时的一个重要因素。

“我们希望消除来自墨水的任何额外的材料，只是关注薄膜中银的含量以及纳米结构之间的联系作为唯一的变异来源，”Ian Stewart说，他是Wiley实验室的一名新研究生，也是这篇发表在《ACS》上的论文的第一作者。

Stewart用已知的配方来做出具有不同形状的银纳米结构，包括纳米颗粒，微片，以及短的和长的纳米线，然后将这些纳米结构与蒸馏水混合制成简单的“墨水”。然后他发明了一种快速简便的方法，使用在任何实验室都可以很容易找到的设备——玻璃片和双面胶带来制备薄膜。

Stewart说：“我们用打孔器在双面胶带上打出一个个井来，然后将其粘贴到玻璃片上。”通过在磁带的每一个井中加入一个精确的量的墨水，然后将井加热到一个水蒸发的相对较低的温度或者结构开始熔化的相对较高的温度，他得到了各种各样的薄膜用来测试。

该研究小组说，他们并不惊讶于长纳米线薄膜具有最高的导电性。电子通常很容易通过单个纳米结构，但是当它们不得不从一个结构跳到下一个结构时往往会被卡住，Wiley解释说，而长纳米线大大减少了电子“跳跃”的次数。

但他们对这种变化的剧烈程度感到惊讶。“长的银纳米线薄膜的电阻率比银纳米颗粒要低几个数量级，比纯银也只是大了10倍，”Stewart说。

该小组现在正在试验使用气溶胶喷墨打印机来在可用电路中打印银纳米线墨水。Wiley说，他们还想探索一下镀银的铜纳米线是否也能产生同样的效果，其比纯银纳米线生产起来要便宜得多。