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npj Flexible Electronics Band 6, Artikelnummer: 48 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Um leistungsstarke, flexible, transparente Elektronik mit extremer Anpassungsfähigkeit an die Umgebung zu realisieren, sollten Ag-Nanodraht-Elektroden (Ag-NWs) gleichzeitig die Anforderungen an Hochtemperaturtoleranz sowie chemische und mechanische Robustheit erfüllen. Hierin wird über ein skalierbares Ag-NWs-Bündel von Mikronetzen berichtet, die über ein einfaches Sprühbeschichtungs- und Transferverfahren in einen leitenden Film aus Polyimid (Ag BMs/ePI) eingebettet sind. Aufgrund des synergistischen Effekts von Bündelmikronetzen und eingebetteter Architektur weist die Ag-BMs/ePI-Elektrode eine hohe thermische Stabilität (370 °C bzw. 400 °C unter Umgebungs- bzw. Stickstoffatmosphärenbedingungen) und eine geringe Schichtwiderstandsschwankung (<4 %) auf. gute Korrosions- und Verformungsbeständigkeit. Als elektrische Heizung können die Ag BMs/ePI ~204 °C mit einer schnellen thermischen Reaktionszeit von ~8 s bei 8 V erreichen und weisen eine gute Heizstabilität im gebogenen Zustand auf. Diese Arbeit bietet eine vielversprechende Plattform für die aufkommende flexible transparente Elektronik zur Anpassung an extreme Umgebungen, insbesondere für Geräte, die eine Hochtemperaturverarbeitung erfordern.

Flexible transparente Leiter durchdringen zahlreiche moderne Technologien optoelektronischer Geräte1,2,3,4, und aufgrund der wünschenswerten elektrischen, optischen und mechanischen Eigenschaften werden flexible transparente Metall-Nanodrahtelektroden (z. B. Cu-NWs, Ag-NWs, Au-NWs) erforscht für viele verschiedene Anwendungen, wie interaktive Elektronik, Heizungen, Solarzellen, elektrochrome Geräte usw.5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15. Als kostengünstige Alternative zur Ag-NWs-Elektrode haben Cu-NWs nahezu die gleiche Leitfähigkeit wie Ag-NWs, die große Besorgnis erregen und den Vorteil haben, dass sie erheblich günstiger als Ag12,13,15 sind. Allerdings ist die Empfindlichkeit gegenüber Wasser und Sauerstoff heute das Haupthindernis für die stabile Leitfähigkeit von Cu-NWs in verschiedenen Anwendungen11. Für die inerte Au-NWs-Elektrode wird dies durch den überhöhten Au-Preis behindert. In Anbetracht der umfassenden Situation werden die Ag-NWs zum potenziellsten Material in der flexiblen transparenten Elektrode. In realen Anwendungen sind die Ag-NWs-Elektroden normalerweise verschiedenen extremen Umgebungen ausgesetzt, wie z. B. hohen Temperaturen, chemischer Erosion und mechanischer Verformung. Dabei ist die thermische Stabilität der Ag-NW-Elektrode eine der unerwünscht gewünschten Leistungen für die typische Herstellung optoelektronischer Geräte mit Hochtemperatur-Glühprozess 16, 17, 18, 19, und was noch wichtiger ist, diese Elektroden werden aufgrund der Jouleschen Erwärmung häufig erhitzt 20. Aufgrund des inhärenten Nachteils der thermisch aktivierten Rayleigh-Instabilität würde die Oberflächendiffusion von Ag-Atomen in Ag-NWs jedoch zu Sphäroidisierung und diskontinuierlichen Netzwerken führen, was zu einer verkürzten Lebensdauer führt und die Fähigkeit des Ag-NW-Leiters für potenzielle Anwendungen einschränkt21,22,23 ,24.

Um das Problem der thermischen Stabilität von Ag-NW-Elektroden für ihre breiten Anwendungen anzugehen, wurden Anstrengungen unternommen, Oberflächenpassivierungstechnologien unter Verwendung organischer, anorganischer oder kohlenstoffbasierter Materialien zu entwickeln. Beispielsweise kann die in glasfaserverstärktem Verbundwerkstoff eingebettete Ag-NWs-Elektrode einer Temperatur von ~250 °C für 2 Stunden und 25 Minuten standhalten. Graphen kann Wärmeenergie ableiten und Feuchtigkeitsschutz bieten, um die Ag-NW-Elektrode zu schützen, die ihre Stabilität bei 300 °C aufrechterhalten konnte26. Darüber hinaus wurden auch anorganische Deckschichten (z. B. ZnO, TiO2) mit einer hohen Schmelztemperatur für die Einkapselung von Ag-NWs vorgeschlagen6,27, bei denen der leitende Film einer thermischen Verarbeitung bei ~300 °C ohne große Änderung des Schichtwiderstands standhalten kann. Dennoch sind diese Vorbereitungsprozesse kompliziert und kostspielig, um die thermische Stabilität der leitenden Ag-NWs-Filme zu verbessern. Darüber hinaus sollte die leistungsstarke, flexible, transparente Ag-NWs-Elektrode aus technischer Sicht gleichzeitig auch andere wichtige Anforderungen erfüllen, wie etwa einen gleichmäßigen Schichtwiderstand (Rs), mechanische Robustheit und elektrische Haltbarkeit in rauen Umgebungen sowie eine glatte Oberflächentopographie (~ (bevorzugt sind einige Nanometer) und eine starke Haftung auf dem Untergrund. Eine Lösung, die gleichzeitig die oben genannten Probleme mit den Ag-NW-Leitern löst, ist jedoch nicht aufgetaucht und stellt eine dringende Herausforderung dar. Andererseits leiden die auf Metallnanodrähten basierenden Netzwerkelektroden immer unter dem großen Übergangswiderstand zwischen Nanodrähten 22, 28. Daher sind immer verschiedene Techniken wie regelmäßiges thermisches Glühen23,29, Laser-Nanoschweißen30, Blitzlampenschweißen31, chemische Behandlung32, mechanisches Schweißen33 und elektrisches Glühen21,34 erforderlich, um das Nanoschweißen von Metall-Nanodrähten zu verbessern und den Übergangswiderstand zu senken Prozesse können die Herstellungskosten erhöhen oder kompliziert sein. Diese Probleme motivieren die Suche nach Strategien zur einfachen Herstellung der leistungsstarken, flexiblen, transparenten Ag-NWs-Elektrode.

Zuvor haben wir eine sprühunterstützte Selbstorganisationsmethode zur Herstellung eines leitenden Ag-NW-Films auf einem Ethylzellulosesubstrat (EC) demonstriert7, was einen Weg für die skalierbare Produktion einer Ag-NW-Elektrode mit guten optoelektrischen Eigenschaften eröffnet. Insbesondere im Vergleich zu zufälligen Ag-NWs-Netzwerkelektroden kann die Ag-BMs-Elektrode aufgrund der expliziten Leitungspfade der Ag-NWs-Bündel eine höhere Leitfähigkeit mit einer geringeren Anzahl von Nanodrähten erreichen. Es ist erwähnenswert, dass die Lösungsmittel, die Oberflächenspannung des Substrats und die Seitenverhältnisse der Ag-NWs die Anordnung der Nanodrähte bestimmen und so die Morphologie der Ag-BMs beeinflussen, die einen großen Einfluss auf den Kapillarfluss und den Marangoni-Rückfluss haben. Beispielsweise würden Lösungsmittel mit unterschiedlichen Verdampfungsraten durch den Kaffeeringeffekt unterschiedliche Antriebskräfte erzeugen, was aufgrund der unterschiedlichen Seitenverhältnisse von Ag-NWs zu unterschiedlichem Montageverhalten führen würde. Darüber hinaus gibt es auch einige andere Ansätze zur Herstellung der gebündelten Ag-NW-Netzwerkelektroden mit Hilfe von Templaten wie Blattskeletten35 und Zufallsrissform36. Im Vergleich dazu erfordert die Vorbereitung der Ag-BMs-Elektrode mit der sprühunterstützten Selbstorganisationsmethode keine Schablone, deren Struktur leicht durch Steuerung der Sprühgeschwindigkeit und der Ag-NWs-Dimension abgestimmt werden kann7,37. Aufgrund der schlechten thermischen und chemischen Stabilität ist der Ag-NWs/EC-Leiter jedoch für praktische Anwendungen stark eingeschränkt. Hier stellen wir eine einfache Sprühbeschichtungs- und Transfermethode zur Herstellung einer Hochleistungs-Ag-NW-Bündel-Mikromaschenelektrode (Ag-BMs) vor, die in das hitzebeständige Polyimidsubstrat (PI) (d. h. Ag-BMs/ePI) eingebettet ist, das eine hohe Temperaturtoleranz aufweist (400 °C in N2-Atmosphäre und 370 °C in Umgebungsatmosphäre für mindestens 1 Stunde), Langzeitstabilität in Umgebungsatmosphäre (ΔR/R0 < 5 % nach 8-monatiger Lufteinwirkung), bemerkenswerte mechanische Flexibilität unter Biegebeanspruchung ( ΔR/R0 < 2 % nach 10.000 Zyklen mit Biegeradius r = 1,5 mm), gute Beständigkeit gegenüber organischen Lösungsmitteln (Aceton, Isopropanol, Ethanol, Toluol), sauren (pH = 1,0) und alkalischen (pH = 12,0) Lösungen, gute Optoelektronik Leistungen mit gleichmäßiger Schichtwiderstandsverteilung (Rs, ~10 ± 0,4 Ohm sq−1), geringer Oberflächenrauheit (RMS, 4,57 ± 2,42 nm) sowie zuverlässiger Haftung zwischen Ag BMs und PI-Substrat (ΔR/R0 < 1 % nach 1000). Zyklen des Haftungstests). Als Machbarkeitsnachweis werden die Ag BMs/ePI-Filme zur Konstruktion flexibler transparenter Heizelemente verwendet, die eine außergewöhnliche mechanische Robustheit und außergewöhnliche Heizleistung mit schneller Reaktionszeit und einer hohen Sättigungstemperatur von bis zu 204 °C bei einer Spannung von 8 V aufweisen Wiederholbarkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit der Erwärmung aufgrund der Vorteile der Ag-NW-Bündel-Mikromaschenkonstruktion und der eingebetteten Struktur, die durch die dicht gewickelte Polyimidmatrix geschützt ist.

Die Herstellung flexibler transparenter Ag-BMs/ePI-leitender Filme ist in Abb. 1a schematisch dargestellt. Zuerst wurden die Ag-BMs mithilfe einer sprühunterstützten Selbstorganisationstechnik auf einem Polydimethylsiloxan (PDMS)-Substrat hergestellt, da in den gesprühten Tröpfchen ein sofortiger skalierbarer Kaffeeringeffekt auftrat7,37, dann wurde die PI-Lösung durch Schleuderbeschichtung auf die Ag-BMs-Oberfläche aufgetragen und daher die Ag-NWs dicht umhüllt. Nach dem thermischen Glühprozess können die in die PI-Matrix-Elektrode (Ag BMs/ePI) eingebetteten Ag-BMs leicht vom Substrat abgezogen werden, wo die Ag-BMs teilweise in den Polyimidfilm mit konformer Einkapselung eingebettet waren. Wie in Abb. 1b – e und der ergänzenden Abb. 1a – d gezeigt, sind die Ag-BMs gleichmäßig und regelmäßig in die PI-Matrix eingelegt, was zu einer gleichmäßigen Schichtwiderstandsverteilung führt. Als typisches Beispiel ist in Abb. 1f und der ergänzenden Abb. 2 die Ag-BMs/ePI-Elektrode (10 cm × 10 cm) mit einem recht gleichmäßigen Rs von 10 ± 0,4 Ohm sq−1 (~4 % Schwankung des Schichtwiderstands) dargestellt. Diese elektrische Homogenität der Ag BMs/ePI-Elektrode, die einen wesentlichen Einfluss auf die Gesamtleistung des Geräts hat, ist besser als die eines hochwertigen kommerziellen flexiblen ITO-Films (11,2 %)38. Die Durchlässigkeit, der Schichtwiderstand und die Trübung der Ag-BMs/ePI-Elektrode können leicht eingestellt werden, indem die Ag-NW-Menge für verschiedene Anwendungen gesteuert wird (Abb. 1g und ergänzende Abb. 3a). Es wurde eine repräsentative Ag BMs/ePI-Elektrode mit einem Schichtwiderstand von ~30 Ohm pro Quadratmeter, einer Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich von 80,14 % und einer geringen Trübung von 5,4 % erhalten. Die intrinsische Rauheit der Ag-NW-Elektrode resultiert aus der Perkolation oder Stapelung der Nanodrähte, was zu Kurzschlüssen und Geräteausfällen führen kann. Eine geringe Oberflächenrauheit der Ag-NW-Elektrode ist wichtig für die stabile Integration vieler flexibler und transparenter elektronischer Geräte. Im Gegensatz zu den sehr groben Ag-BMs auf der Substratoberfläche (ergänzende Abbildung 3b – e) wurde durch Einbetten der Ag-BMs in das PI-Substrat eine flache und feste leitende Oberfläche erhalten (Abb. 1h). Die Oberflächenrauheit (RMS) wurde von 43 ± 4,6 nm für Ag-BMs auf der Substratoberfläche (ergänzende Abbildung 3b – e) auf 4,57 ± 2,42 nm für Ag-BMs/ePI (Abb. 1h) deutlich reduziert. Darüber hinaus gab es im Vergleich zu den ursprünglichen Rs von Ag-BMs auf dem Donor-PDMS-Substrat einen leicht verringerten Rs-Wert für Ag-BMs/ePI-Elektrode aufgrund des Straffungseffekts und der verbesserten Nanodraht-Nanodraht-Kontakte, die durch den Aushärtungsprozess der PI-Matrix erzielt wurden (ergänzende Abbildung). . 3f). Mit dieser einfachen Sprühbeschichtungs- und Übertragungsmethode kann eine kostengünstige, schnelle und Rolle-zu-Rolle-Herstellung flexibler transparenter Elektroden mit einfacher Ausrüstung problemlos realisiert werden, was für industrielle Anwendungen von Vorteil ist.

a Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses für Ag-NWs-Bündel-Mikromaschen-Elektroden (Ag-BMs), eingebettet in eine PI-Matrix, d. h. Ag-BMs/ePI. b Optische Mikroaufnahme der Ag-BMs/ePI-Elektrode (~ 10 Ohm pro Quadratmeter), was auf eine gleichmäßige Ag-BMs-Verteilung hinweist. Der Maßstabsbalken betrug 50 μm. c SEM-Bild der Ag BMs/ePI-Elektrode (Maßstabsbalken war 20 μm), entsprechend der typischen Bündel-d- und Knoten-e-Morphologie. Die Maßstabsbalken in d und e betrugen 3 μm. f Der Schichtwiderstand der Ag BMs/ePI-Elektrode an verschiedenen Positionen, was auf eine sehr gleichmäßige Verteilung hinweist. Die tatsächlichen Rs-Werte sind in der ergänzenden Abbildung 2 dargestellt. g Transmissionsspektren von Ag-BMs/ePI-Elektroden mit unterschiedlichem Schichtwiderstand. Das eingefügte Foto zeigt eine 10 cm × 10 cm große flexible transparente Ag BMs/ePI-Elektrode. Der Maßstabsbalken betrug 5 cm. h AFM-Bild einer Ag BMs/ePI-Elektrode (~10 Ohm sq−1) zur Demonstration geringer Oberflächenrauheit. Der Maßstabsbalken betrug 10 μm.

Wie bereits erwähnt, müssen die flexiblen transparenten Ag-NWs-Elektroden hohen Temperaturen in den Herstellungs- und Nachbearbeitungsschritten standhalten, um eine hohe Geräteausbeute und -leistung zu gewährleisten. Die hohe thermische Stabilität der Ag-BMs/ePI wurde durch direkte Messung von Rs bewertet, wobei die Proben in einem Rohrofen bei Umgebungsbedingungen bzw. N2-Atmosphärenbedingungen platziert wurden. Bei der Ag-BMs/ePI-Elektrode (Rs ~ 10 Ohm sq−1) gab es nach 2 Stunden bei 350 °C (Abb. 2a) in einer Umgebungsatmosphäre nahezu keine Änderung des Schichtwiderstands. Vor allem war es in der Lage, einer thermischen Verarbeitung bei hohen Temperaturen von 350 °C und 400 °C für mindestens 10 Stunden bzw. 1 Stunde unter N2-Atmosphäre standzuhalten, ohne dass sich der Schichtwiderstand geringfügig änderte (Abb. 2a, b, ergänzende Abb. 4a). , was den Weg für Ag-NW-basierte Elektronikanwendungen bei hohen Temperaturen ebnen würde. Diese Hochtemperaturtoleranz von Ag-BMs/ePI-Elektroden ist mit anderen ausgewählten wichtigen Arbeiten zur Verbesserung der thermischen Stabilität von Ag-NWs durch den Einsatz von Oberflächenpassivierungstechnologien vergleichbar oder diesen überlegen (ergänzende Abbildung 4b). Mit zunehmender Temperatur und Glühzeit nimmt die Ag-Atomdiffusion in Ag-NWs zu, und kinetische Einschränkungen bei der Rekonstruktion können daher leichter überwunden werden20. Daher würden sich die Sphäroidisierungsphänomene von Ag-NWs (ergänzende Abbildung 4c) mit zunehmender Glühtemperatur und -zeit stark verschlechtern, was zum elektrischen Ausfall der Ag-NW-Elektrode führen würde. Die Stabilität von Ag-BMs/ePI-Elektroden in Luft ist aufgrund der atmosphärischen Korrosion (z. B. Sulfidierung, Oxidation) geringer als in Stickstoff, was zu einem beschleunigten Ausfall von Ag-NWs führt. Zum Vergleich: Bei den zufälligen Ag-NWs-Netzwerken (Ag-RNs) auf der Substratoberfläche kommt es aufgrund der Verschmelzung der Nanodrähte zu diskreten Nanopartikeln immer zu einem starken Anstieg des Schichtwiderstands unter 200 °C18,22,23,24,39. Um die Wirksamkeit der eingebetteten Bündel-Mikronetzstruktur hinsichtlich der Hochtemperaturtoleranz weiter quantitativ zu analysieren, wurde der Schichtwiderstand bewertet und mit zufälligen Ag-NWs-Netzwerken auf der PI-Oberfläche (Ag RNs/PIs) als Funktion der Glühtemperatur verglichen, um die hohe Temperatur hervorzuheben -Temperaturtoleranz der Ag BMs/ePI-Elektrode. Wie in Abb. 2c gezeigt, wurden Ag-RNs/PIs- und Ag-BMs/ePI-Elektroden 1 Stunde lang unter Luft- und N2-Atmosphärenbedingungen bei unterschiedlichen Temperaturen erhitzt. Im Fall der Ag RNs/PIs-Elektrode begann ein Anstieg des Schichtwiderstands bei 160 (in Luft) und 170 °C (in N2), während der Rs bei 370 °C (in Luft) und 400 °C leicht anstieg ( in N2) für Ag BMs/ePI-Elektrode. Diese signifikante Verbesserung der Ag-BMs/ePI-Elektrode gegenüber hohen Temperaturen wird auf die strukturelle Morphologie der Ag-NWs zurückgeführt (Abb. 2d). Das heißt, die verbesserte thermische Stabilität der Ag-BMs/ePI-Elektrode wurde durch die eingebettete Struktur und die Bündel-Mikromaschenkonstruktion der Ag-NWs erreicht.

a ΔR/R0 vs. Glühzeit für in PI eingebettete Ag-BMs/ePI- und zufällige Ag-NWs-Netzwerke (Ag-RNs/ePI), getempert bei 350 °C in Luft bzw. N2-Atmosphäre. b ΔR/R0 vs. Glühzeit für Ag BMs/ePI und Ag RNs/ePI, getempert bei 400 °C in Luft bzw. N2-Atmosphäre. c ΔR/R0 vs. Glühtemperatur für zufällige Ag-NWs-Netzwerke auf der PI-Oberfläche (Ag RNs/PIs) und Ag BMs/ePI in Luft bzw. N2-Atmosphäre. Jede Probe wurde 1 Stunde lang mit einem Temperaturgradienten von 10 °C erhitzt. d Das schematische Diagramm der morphologischen Entwicklung von Ag-NWs bei einer Temperatur von 400 °C in einer N2-Atmosphäre, wobei die Sphäroidisierung für die zufälligen Ag-NWs-Netzwerke auf der PI-Oberfläche (i) auftrat, während die Ag-BMs/ePI (ii) eine stabile Morphologie beibehielten durch die eingebettete Struktur und die Bündel-Mikromaschenkonstruktion von Ag-NWs. e ΔR/R0 vs. Glühzeit für Ag RNs/PIs- und Ag BMs/PIs-Elektroden in Luft bzw. N2-Atmosphäre. Es ist klar, dass die Bündel-Mikromaschenkonstruktion zu einer höheren Temperaturtoleranz beiträgt.

Um die durch die eingebettete Struktur verliehene Hochtemperaturtoleranzeigenschaft zu verdeutlichen, wurde die auf der PI-Oberfläche gebildete Ag-NWs-Elektrode (Rs ~ 10 Ohm sq−1) als Kontrolle gemessen. Die Ag-BMs auf der PI-Oberfläche (d. h. Ag-BMs/PIs) führten bei niedrigeren Temperaturen von 240 °C in Luft und 265 °C in N2 nach 30 Minuten zu einer starken Verschlechterung der elektrischen Leistung (Abb. 2e). Zwar gab es eine große Verbesserung bei der thermischen Stabilität der Ag BMs/ePI-Elektrode, die bei 350 °C in Luft- und N2-Atmosphärenbedingungen für ca. 2 Stunden (Abb. 2a) und ca. 15 Stunden (ergänzende Abb.) stabile elektrische Eigenschaften aufrechterhalten kann . 4a). Bei den zufälligen Ag-NWs-Netzwerken (Ag-RNs) zeigten die in die PI-Matrix-Elektrode (Ag-RNs/ePI) eingebetteten Ag-RNs auch eine höhere thermische Stabilität als Ag-RNs auf der PI-Oberflächenelektrode (Ag-RNs/PIs) (Abb. 2a, e). . Die Hochtemperaturbeständigkeit von Ag-NWs-Elektroden mit eingebetteter Struktur beruht auf der Tatsache, dass die Ag-NWs durch die thermisch stabile PI-Matrix gut geschützt sind. Während des Übertragungsprozesses würde die PI-Lösung stark an Ag-NWs adsorbieren und für eine optimal konforme Einkapselung sorgen, sodass nur eine minimale Oberflächenöffnung der Ag-NWs für die elektrische Leitung verbleibt. Bei Ag-NWs unter thermischer Belastung wird die Oberflächendiffusion von Ag-Atomen aufgrund des hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses beschleunigt, was zu einer instabilen Ag-NW-Elektrode führt20. In dieser Arbeit würde die Einkapselung mit PI-Matrix die Diffusion von Ag-Atomen in der Nanodrahtoberfläche effektiv unterdrücken, um eine Trennung von Ag-NWs zu verhindern und dadurch die Temperaturtoleranz von Ag-NWs mit der eingebetteten Struktur zu verbessern.

Um einerseits die verbesserte thermische Stabilität von Ag-NWs-Elektroden zu überprüfen, die durch die Bündel-Mikromaschenkonstruktion erreicht werden, wurden Ag-BMs und Referenzproben von Ag-RNs-Elektroden zum Vergleich unter Umgebungs- und N2-Atmosphären getempert (Abb. 2e). Die Ag-BMs/PIs waren stabiler gegenüber hohen Temperaturen (Abb. 2e), wobei der Schichtwiderstand nach ca. 30 Minuten bei 240 °C (Umgebungsatmosphäre) bzw. 265 °C (N2-Atmosphäre) anstieg. Im scharfen Gegensatz dazu zeigten die Referenzproben von Ag-RNs/PIs eine Verschlechterung der elektrischen Leistung bei 205 °C (Umgebungsatmosphäre) bzw. 225 °C (N2-Atmosphäre) nach ca. 30 Minuten (Abb. 2e). Wenn die Ag-NWs in eine PI-Matrix eingebettet waren, zeigten die Ag-BMs/ePI auch eine höhere Temperaturtoleranz und thermische Abbautemperatur als die Ag-RNs/ePI-Elektrode (Abb. 2a, b, ergänzende Abb. 4d). Diese Ergebnisse bestätigten, dass die Bündel-Mikronetzstruktur dazu beiträgt, Ag-NWs vor hohen Temperaturen zu schützen. Für den Schmelzpunkt von Nanodrähten erhält man eine gute Schätzung durch die Formel40: \(T_{{{{\mathrm{mw}}}}} = T_{{{{\mathrm{mb}}}}}\frac{ {1 - 4d}}{{3D}}\), wobei Tmw und Tmb der Schmelzpunkt der Nanodrähte und des Massenmaterials sind, d und D der Durchmesser von Atom bzw. Draht. Basierend auf dieser Formel bedeutet dies, dass die Ag-NWs mit größerem Durchmesser ein kleineres Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und eine geringere Oberflächenenergie aufweisen, was zu einer höheren thermischen Stabilität bei der bewerteten Temperatur führt20,41. Für zufällige Ag-NWs-Netzwerkelektroden sind diese Nanodrähte separat mit dünnem Durchmesser verteilt. Bei der Ag-BMs-Elektrode hingegen bestanden diese kompakten Bündel aus ausgerichteten Nanodrähten, die Nanodrähten mit größerem Durchmesser entsprechen könnten. Daher zeigte die Ag BMs-Elektrode im Vergleich zur Elektrode mit zufälligen Ag-NWs-Netzwerken eine höhere thermische Stabilität sowohl in N2- als auch in Umgebungsatmosphären (Abb. 2).

Um die Rolle der Bündel-Mikronetzkonstruktion bei der Erhöhung des Temperaturwiderstands weiter zu verifizieren, wurden unterschiedliche Schichtwiderstände (~ 10 Ohm sq-1, ~ 50 Ohm sq-1, ~ 100 Ohm sq-1) von Ag BMs/ePI-Elektroden untersucht (Abb. 3a). , b), die unterschiedlichen Ag-NW-Bündeldurchmessern entsprachen (Abb. 3c – e), wurden durch Anpassen der Ag-NW-Dosierung während des Sprühbeschichtungsprozesses hergestellt und bei hoher Temperatur überprüft. Es ist klar, dass der geringere Schichtwiderstand der Ag-BMs/ePI-Elektrode, die einen größeren Bündeldurchmesser aufwies, unter den gleichen Bedingungen eine höhere thermische Stabilität aufwies (Abb. 3). Als typisches Beispiel könnte die Ag BMs/ePI-Elektrode (Rs, ~10 Ohm sq−1; Bündeldurchmesser ~1,5 μm) die Leitfähigkeit sowohl in Umgebungsatmosphäre (350 °C) als auch in N2-Atmosphäre (370 °C) auf mehr als 1,5 halten h, während die Steuerelektroden mit einem Schichtwiderstand von ~50 Ohm sq−1 (Bündeldurchmesser, ~0,5 μm) und ~100 Ohm sq−1 (Bündeldurchmesser, ~0,3 μm) schnell ausfielen (Abb. 3a, b). Daher können sowohl die Leitfähigkeit als auch die thermische Stabilität der Ag-BMs-Elektrode durch Steuerung der Ag-NWs-Bündeldurchmesser abgestimmt werden. Die anderen wichtigeren Vorteile der eingebetteten Ag-BM-Struktur sind die Umgebungsstabilität sowie die chemische und mechanische Robustheit. Die Umgebungsstabilität der Ag BMs/ePI-Elektrode wurde als Funktion der Haltbarkeitsdauer an der Luft (relative Luftfeuchtigkeit von 60 % bei Raumtemperatur) bewertet. Wie in Abb. 4a gezeigt, stieg der Schichtwiderstand der Ag-BMs/PIs der Kontrollprobe nach 50 Tagen dramatisch von 10 auf 156 Ohm sq−1 an, während der Schichtwiderstand der Ag BMs/ePI nur geringfügig anstieg (Rs, ~10). Ohm sq−1) Elektrode nach 8 Monaten. Die PI-Verkapselungsschicht würde wirksam die Permeation von Feuchtigkeit, Sauerstoff und Sulfid in der Luft blockieren, was den Abbau von Ag-NWs beschleunigen und dadurch die Umgebungsstabilität verbessern würde. Das Einbetten der Ag-BMs-Elektrode in die PI-Matrix kann sie auch gut vor chemischer Korrosion, einschließlich organischer Lösungsmittel und korrosiver Säure-Base-Lösungen, schützen. Wie in Abb. 4b gezeigt, können die Ag-BMs/ePI die Leitfähigkeit nach einstündigem Eintauchen in verschiedene Lösungsmittel wie entionisiertes Wasser, Isopropylalkohol, Ethanol, Aceton und Toluol aufrechterhalten. Die geringfügige Abnahme des Schichtwiderstands ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass einige Verunreinigungen (z. B. Ag-Nanopartikel, nicht verbundene Ag-NWs, Verunreinigungen oder Tenside) auf der Ag-BM-Oberfläche durch Lösungsmittel weggewaschen wurden. Selbst wenn die Ag-BMs/ePI-Elektrode 1 Stunde lang in eine saure und alkalische Lösung mit unterschiedlichen pH-Werten eingetaucht wurde (Abb. 4c), kam es immer noch zu keinem offensichtlichen Anstieg des Schichtwiderstands, was einen zuverlässig leitenden Film unter rauen Bedingungen für verschiedene praktische Anwendungen ermöglichte .

Die Ag BMs/ePI-Elektrode mit unterschiedlichen Rs-Werten unter Stickstoff-A- bzw. Luft-B-Bedingungen. c–e SEM-Bilder von Ag BMs/ePI-Elektroden mit unterschiedlichen Bündeldurchmessern, entsprechend den Rs von c ~10 Ohm sq−1, d ~50 Ohm sq−1 und e ~100 Ohm sq−1 und das entsprechende schematische Diagramm für die morphologische Entwicklung in der Umgebungsatmosphäre bei einer hohen Temperatur von 350 °C. Die Maßstabsbalken in c, d und e betrugen 2 μm.

a Schichtwiderstandsänderung der Ag BMs/ePI und Ag BMs/PIs, die Luft bei Raumtemperatur ausgesetzt werden. b Chemische Stabilität der Ag BMs/ePI-Elektrode in verschiedenen Lösungsmitteln für 1 Stunde, einschließlich entionisiertem Wasser, Isopropylalkohol, Ethanol, Aceton und Toluol. c Chemische Stabilität von Ag BMs/ePI-Elektroden in sauren (HCl, pH = 1,0) und alkalischen (NaOH, pH = 12,0) Lösungen für 1 Stunde. d Adhäsionstest der Ag BMs/ePI-Elektrode mit 3 M Scotch 600-Band. e Schichtwiderstandsänderung des leitenden Ag BMs/ePI-Films als Funktion der Anzahl der Zug- und Druckbiegungen mit einem Krümmungsradius von 1,5 mm. Einschübe zeigten die Demonstration der Elektrodenbiegung im Zug- und Druckmodus. f Echtzeitüberwachung der Widerstandsänderungen der Ag BMs/ePI-Elektrode während des Biegeprozesses. Eingefügt wurden Fotos einer stabilen LED-Beleuchtung, die mit der Elektrode verbunden war.

Darüber hinaus würden aufgrund der rauen Verarbeitungsumgebung im Herstellungsprozess verschiedene Arten von äußeren Schäden (z. B. Delaminierung, Kratzer, Risse) an den flexiblen Elektroden verursacht. Daher ist die mechanische Haltbarkeit ein weiterer wichtiger Aspekt für die Herstellung äußerst zuverlässiger Geräte. Wie in Abb. 4d gezeigt, wurde ein mechanischer Haftungstest mit 3 M Scotch 600-Klebeband an Ag BMs/ePI-Elektroden durchgeführt, um deren Haltbarkeit zu beurteilen. Die Schichtwiderstandsänderung der Ag BMs/ePI-Elektrode betrug nach 1000 Adhäsionstestzyklen weniger als 1 %. Während die Kontrollprobe der Ag-BMs/PIs-Elektrode erst nach einem Zyklus vom Substrat abgelöst werden kann (ergänzende Abbildung 5a) und daher aufgrund der schwachen Bindungskraft zwischen Ag-BMs und der PI-Oberfläche keine Kratzer verträgt. Andererseits wurde der zyklische Biegetest durchgeführt, um die mechanische Zuverlässigkeit mithilfe eines Biegeermüdungstests zu bewerten. Die Ag BMs/ePI-Elektrode kann auch nach 10.000 Zyklen mit einem Biegeradius von 1,5 mm im Zug- und Druckmodus eine stabile Leitfähigkeit (ΔR/R0 < 2 %) aufrechterhalten (Abb. 4e) und war daher für hochzuverlässige flexible Elektronikanwendungen geeignet . Im Gegensatz dazu ließ die Leistung der handelsüblichen flexiblen transparenten ITO/PET-Elektrode (Rs, ~11 Ohm sq−1) nach mehreren Biegezyklen schnell nach (ergänzende Abbildung 5b). Darüber hinaus wurde die Widerstandsänderung der Ag-BMs/ePI-Elektrode in Echtzeit mit einem Krümmungsradius von 1,5 mm überwacht, was während des gesamten Biegevorgangs stabil blieb und die beleuchteten LEDs mit konstanter Helligkeit aufrechterhielt (Abb. 4f und Zusatzfilm 1). Darüber hinaus kann der Widerstand der Ag-BMs/ePI-Elektrode auch während des gesamten Biegevorgangs in verschiedene Richtungen stabil bleiben (ergänzende Abbildung 6 und Film 2), was auf die Richtungsflexibilität der Ag-BMs/ePI-Elektrode hinweist. Die bemerkenswerte mechanische Zuverlässigkeit der Ag-BMs/ePI-Elektrode resultiert aus ihrer eingebetteten Bündel-Mikronetzstruktur, in der die Ag-BMs durch eine PI-Matrix mit einer stabilen Verbindung fest fixiert sind, um verschiedenen extremen mechanischen Verformungen Rechnung zu tragen. Daher kann die flexible transparente Ag-BMs/ePI-Elektrode eine gute Umgebungsadaptivität thermischer, chemischer und mechanischer Reize aufweisen, was für Multiszenario-Anwendungen vielversprechend ist.

Die potenzielle Leistungsfähigkeit von Ag BMs/ePI als flexible transparente Elektrodenplattform wurde durch die Herstellung einer elektrischen Heizung demonstriert, die zur Temperaturregelung in verschiedenen Geräten verwendet wurde, darunter Heizsysteme in der Industrie, beschlagfreie Spiegel und Fenster in Autos sowie persönliches Wärmemanagement bei Arthritis und Krebs43,44,45. Aufgrund der inelastischen Kollisionen zwischen beschleunigten Phononen und Elektronen wird in den leitfähigen Materialien beim Durchgang des Stroms Joulesche Wärme erzeugt44. Die thermische Stabilität und mechanische Robustheit der Ag-BMs/ePI-Elektrode sind entscheidend für das Design von Hochleistungsheizgeräten (Abb. 5a). Wie in Abb. 5b gezeigt, stieg die stationäre Sättigungstemperatur (Ts) der Ag-BMs/ePI-Heizung (Rs ~10 Ohm sq−1, 2 cm × 2 cm) mit der Erhöhung der zugeführten Vorspannung, da mehr Joule-Wärmeleistung erzeugt wurde Bei einer niedrigen Vorspannung von 8 V kann ein Ts von ~204,3 °C erreicht werden. Insbesondere kann die Ag-BMs/ePI-Heizung innerhalb von 8 s schnell auf die Sättigungstemperatur erhitzt und innerhalb von 15 s nach dem Einschalten auf natürliche Weise auf Raumtemperatur abgekühlt werden aus (Abb. 5c) und demonstriert die vielversprechenden Anwendungen für schnelles Erhitzen und Abkühlen, die flexible transparente Filmheizungen erfordern. Die Gesamtleistung von Ag BMs/ePI-Heizgeräten ist vergleichbar oder besser als bei anderen wichtigen Arbeiten an hochwertigen Heizgeräten mit unterschiedlichen Leitmaterialien (Ergänzungstabelle 1). Da bei der Ag BMs/ePI-Heizung die Biot-Zahl (Bi) deutlich unter 1 lag (siehe die Bi-Berechnung in den Zusatzinformationen), wird der Temperaturanstieg der Heizung durch die angelegte Spannung, den Widerstand der Heizung, und der Oberflächenwärmeübergangskoeffizient46. Daher gilt für eine feste Ag-BMs/ePI-Heizung, basierend auf der Gleichung 1: \(T_s = T_0 + \frac{{U^2}}{{{{{\mathrm{RhA}}}}}}\) ( Ts: Sättigungstemperatur, T0: anfängliche Umgebungstemperatur, U: angelegte Spannung, R: Widerstand der Heizung, h: konvektiver Wärmeübertragungskoeffizient, A: Fläche der Heizung)43, der Ts wurde hauptsächlich durch die angelegte Spannung bestimmt, die erhöht sich mit der angelegten Spannung (Abb. 5b). Um andererseits den Mechanismus des schnellen thermischen Reaktionsverhaltens von Ag-BMs/ePI-Heizungen zu verstehen, wird eine gute Schätzung der Reaktionszeit von Ag-NWs-basierten Heizgeräten durch die Gleichung 2 erhalten: \(t = \frac{{{ {{\mathrm{\rho dc}}}}}}{h}\), wobei t die Reaktionszeit, ρ, d, c und h die Dichte, Dicke, spezifische Wärmekapazität und den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten von ist das Substrat bzw.47. Wie in der ergänzenden Abbildung 7a gezeigt, war die Sättigungstemperatur unabhängig von der Substratdicke und die Reaktionszeit war proportional zur PI-Substratdicke. Wie in der ergänzenden Abbildung 7b gezeigt, verkürzte sich die Reaktionszeit von Ag-BMs/ePI-Heizungen von 16 s auf 6 s, wobei die PI-Dicke von ~260 μm auf ~50 μm abnahm. Es ist erwähnenswert, dass, obwohl die Ag-BMs/ ePI kann hohen Temperaturen von ~350 °C in einer Umgebungsatmosphäre standhalten (Abb. 2a), die Ag BMs/ePI-Heizung kann diese Sättigungstemperatur unter elektrischer Belastung nicht erreichen. Anders als der thermische Zusammenbruch, der nur durch externe Wärmequellen verursacht wird, Elektromigration (elektrisch). Zusammenbruch) ist hauptsächlich für den Ausfall von Ag-BMs/ePI-Heizgeräten unter elektrischer Belastung verantwortlich, begleitet von der treibenden Kraft der Jouleschen Erwärmung für den Ausfall von Nanodrähten.22,48. Bei Ag-BMs/ePI-Heizgeräten fließt der elektrische Strom möglicherweise nicht an allen Netzwerkstandorten identisch. Dies führt zu einer höheren Temperatur in lokalisierten Hotspots mit hohen Stromdichten und einer geringeren thermischen Stabilität. 49 Im Vergleich zu den zufälligen Ag-NWs-Netzwerken, die in die PI-Heizung (Ag RNs/ePI) eingebettet sind, zeigte die Ag-BMs/ePI-Heizung jedoch eine hohe Leistung im Hinblick auf das Maximum Ts und homogene Temperaturverteilung. Wie in der ergänzenden Abbildung 8 gezeigt, kann die maximale Ts von Ag RNs/ePI-Heizgeräten nur 138,8 °C (~10 Ohm sq−1, 2 cm × 2 cm) erreichen, was offensichtlich niedriger als ~ 204,3 °C des bestellten Ag ist BMs/ePI-Heizung (Abb. 5b). Darüber hinaus betrug die mittlere Sättigungstemperatur der Ag-BMs/ePI-Heizung 103,7 ± 1,2 °C, während die mittlere Temperatur der zufälligen Ag-NWs/ePI-Heizung 100,5 ± 8,5 °C betrug. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Wärmeverteilung des Ag BMs/ePI-Heizers (6 cm × 6 cm) aufgrund der gleichmäßigen Widerstandsverteilung über den gesamten Film hinweg homogener war. Um die Zuverlässigkeitsanforderungen in der praktischen Anwendung für Ag-BMs/ePI-Heizungen zu erfüllen, ist die langfristige Betriebsstabilität ein weiteres Anliegen. Wie in Abb. 5d gezeigt, zeigte diese flexible transparente Heizung innerhalb von 2 Stunden eine äußerst stabile Oberflächentemperatur von ~103,7 ± 1,2 °C mit einer repräsentativen Betriebsspannung von 4 V. Bei wiederholter Betriebsspannung von 4 V zeigte die Ag-BMs/ePI-Heizung 240 gleichmäßige Heiz- und Kühlzyklen innerhalb von 2 Stunden (Abb. 5e), was auf die ausreichende Wiederholbarkeit und bemerkenswerte Heizstabilität der Ag-BMs/ePI-Heizung in der realen Anwendung hinweist.

a Schematische Darstellung des Heiz- und Kühlprozesses für Ag BMs/ePI-Heizgeräte. b Zeitabhängige Oberflächentemperatur der flexiblen transparenten Ag-BMs/ePI-Heizung (Rs ~10 Ohm sq−1, 2 cm × 2 cm) bei unterschiedlichen Versorgungsspannungen. c Reaktions- und Abkühlzeit der Ag BMs/ePI-Heizung bei 8 V konstanter Spannung. d Langfristige zeitabhängige Oberflächentemperatur der Ag BMs/ePI-Heizung bei 4 V. Eingefügt war das IR-Kamerabild des realen Geräts. e Heizstabilität und Wiederholbarkeit der Ag BMs/ePI-Heizung bei 4 V, entsprechend den ersten 6 Zyklen (links) und den letzten 6 Zyklen (rechts).

Um andererseits die Stabilität flexibler Ag-BMs/ePI-Heizungen unter Biegebelastung zu demonstrieren, wurde die Oberflächentemperatur aufgezeichnet. Wie in Abb. 6a gezeigt, zeigte die flexible elektrische Heizung (2 cm × 2 cm) bei unterschiedlichen Biegeradien (r, ∞, ~10 mm, ~3 mm, ~1,5 mm) eine stabile und gleichmäßige Temperaturverteilung. Darüber hinaus kann diese flexible, transparente Ag-BMs/ePI-Heizung, die bei 4 V arbeitet, wiederholtes Biegen (r = 1,5 mm) mit nahezu überlappenden Temperaturkurven nach dem 1., 1000., 2000., 4000., 6000., 8000. und 10.000. Zyklen überstehen (Abb. 6b). Diese Ergebnisse bestätigten die gute mechanische Stabilität und lange Lebensdauer der elektrischen Heizgeräte Ag BMs/ePI in tragbaren Elektronikanwendungen. Die schnelle thermische Reaktion und die niedrige Betriebsspannung zeigen, dass die Ag BMs/ePI-Heizung die gewünschte Temperatur schnell erreichen kann und für den menschlichen Körper sicher ist. Aufgrund des großen Heiztemperaturbereichs (Raumtemperatur bis ~204 °C, Abb. 5b) kann die Ag BMs/ePI-Heizung vielfältig eingesetzt werden, z. B. zum Erhitzen von Wasser im Freien, zum Enteisen bei eisigem und verschneitem Wetter oder zur Thermotherapie (40–50 °C). °C) und Warmhalten (40–60 °C). Wie in Abb. 6c–f und Zusatzfilm 3 gezeigt, wurde ein Ag BMs/ePI-Heizgerät (2 cm × 2 cm) auf den Boden eines Glasbehälters gestellt, um Kaffee (5 ml) zu erhitzen, und die Kaffeetemperatur wurde real überwacht -Zeit mit einem Quecksilberthermometer. Beim Anlegen einer Vorspannung von 4 V wurde die von der Ag BMs/ePI-Heizung erzeugte Wärme mit einer Oberflächentemperatur von ~104 °C effizient auf den Kaffee übertragen. Nach 300 s bzw. 900 s Erhitzung kann die Kaffeetemperatur schnell von anfänglich 25 °C auf 40 °C bzw. 54 °C erhöht werden, was der Trinktemperatur entspricht (Abb. 6f). Aufgrund der Ultraflexibilität kann dieser Heizer zum Heizen auch um die Seitenwand eines Behälters gewickelt werden. Aufgrund der außergewöhnlichen Leistung kann als typisches Beispiel die tragbare, flexible Ag BMs/ePI-Heizung zum Schmelzen von Schnee und Eis oder zum Erhitzen von kaltem Wasser und Lebensmitteln verwendet werden, um Ernährungsprobleme zu lösen, wenn Menschen Aufgaben an kalten Orten ausführen. Darüber hinaus kann Ag BMs/ePI-Film als thermochromes Anzeigegerät in Kombination mit thermochromen Tinten eingesetzt werden (ergänzende Abbildung 9, Film 4). Die Farbe vorgegebener Muster auf Ag BMs/ePI kann durch die Auswahl unterschiedlicher Betriebsspannungen und thermochromer Tinten abgestimmt werden, was bedeutet, dass komplizierte Farbwechselfarben für andere Anwendungen wie Anti-Fälschungen und Kunstausstellungen erzielt werden können. Die oben genannten Ergebnisse deuten darauf hin, dass diese flexible, transparente Ag-BMs/ePI-Elektrode mit hoher Temperaturtoleranz und chemischer und mechanischer Robustheit vielversprechendes Potenzial für zukünftige Anwendungen in Bezug auf Heizsysteme, tragbare Geräte, intelligente Roboter, hitzebeständige Elektronik usw. hat. Bei speziellen Anwendungen, die eine große Fläche erfordern, ist die Skalierbarkeit des leitenden Films ein Hauptanliegen. Es ist erwähnenswert, dass die Herstellung großer Ag-BMs/ePI-Filme durch eine einfache Sprühbeschichtung und Transfermethode gewährleistet werden kann, bei der nicht das Problem der Flächenbeschränkung auftritt, die bei anderen herkömmlichen Herstellungsgeräten auftritt.

Eine IR-Kamera zeigt die Ag BMs/ePI-Heizung bei verschiedenen Biegeradien. b Zyklische elektrische Heizleistung der Ag BMs/ePI-Heizung bei 4 V, während sie wiederholt auf einen Durchmesser von 1,5 mm gebogen wird. Auch nach 10.000 Biegezyklen blieb die Leistung stabil. c–e Digital- und IR-Kamerabilder des Ag BMs/ePI-Heizgeräts beim Erhitzen von Kaffee mit einer Versorgungsspannung von 4 V. f Digitale Bilder des Ag BMs/ePI-Heizgeräts beim Erhitzen von Kaffee mit 4 V.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine leistungsstarke, flexible, transparente Ag-BMs/ePI-Elektrode durch ein einfaches, kostengünstiges und skalierbares Sprühbeschichtungs- und Transferverfahren hergestellt wurde. Das gut organisierte Ag-NWs-Bündel-Mikronetz kann stabilen Nanodrähten mit größerem Durchmesser entsprechen, und die Einkapselung mit PI-Matrix kann die Oberflächendiffusion von Ag-Atomen wirksam unterdrücken und chemische Korrosion verhindern. Daher führt der synergistische Effekt der Bündel-Mikronetzkonstruktion und der eingebetteten Struktur in Ag-BMs/ePI-Elektroden zu einer hohen Temperaturtoleranz in Luft- (370 °C, ~90 Min.) und N2-Atmosphären (400 °C, ~60 Min.), was ebenfalls der Fall ist führen zu einer gleichmäßigen Schichtwiderstandsverteilung, hoher chemischer Stabilität, geringer Oberflächenrauheit sowie guter mechanischer und optoelektrischer Leistung. Als Beweis der Machbarkeit wurde ein flexibler, transparenter Ag-BMs/ePI-Heizer hergestellt, der eine hohe Sättigungstemperatur von bis zu 204 °C mit Langzeitstabilität und schneller Erwärmungsreaktion erzeugen kann. Selbst unter extremen Biegereizen (r = 1,5 mm) kann die Ag BMs/ePI-Heizung die Heizleistung nach 10.000 Zyklen ohne Beeinträchtigung aufrechterhalten. Die Studie ebnet den Weg für eine umgebungsanpassungsfähige leitende Filmvorbereitung mit verschiedenen Metall-Nanodrähten (z. B. Cu-NWs, Ag-NWs, Au-NWs) und ermöglicht breitere Anwendungen in flexiblen transparenten optoelektronischen Geräten.

Das PDMS-Substrat (Sylgard 184, Dow Corning) mit einer Dicke von ∼200 μm wurde durch Mischen des PDMS-Härters und der Basis in einem Gewichtsverhältnis von 1:10 hergestellt und 4 Stunden lang bei 80 °C ausgehärtet.

Ag-NWs (~30 nm Durchmesser, ~20 μm Länge, XF NANO Co., LTD.) Tinte (0,5 mg ml−1) mit Isopropanol-Lösungsmittel wurde auf das PDMS-Substrat aufgesprüht, dann wurde eine Polyimidlösung (DuPont SP-21, Aladdin) aufgetragen ) wurde durch Schleuderbeschichtung auf eingekapselte Ag-NWs aufgetragen. Abschließend wurden die frischen Proben in einen Vakuumofen gegeben, um die Polyimidlösung 1 Stunde lang bei 100 °C zu verfestigen. Abschließend wurde der ausgehärtete PI-Film (ca. 70 μm dick) vom Substrat abgezogen, um die gewünschte Ag BMs/ePI-Elektrode zu erhalten.

Die thermochromen Tinten (Sinopharm Chemical Reagent Co., LTD) mit verschiedenen Farben (schwarz, rot, blau) wurden direkt auf die Ag BMs/ePI-Oberfläche aufgetragen.

Ein optisches Mikroskop (MX6R, Sunny Optical Technology Co., LTD), ein SEM (Nova NanoSEM 450) und ein Rasterkraftmikroskopiesystem (AFM) (Nano Wizard 4, JPK) wurden eingesetzt, um die Morphologie der Ag-BMs aufzudecken. Transmissions- und Schichtwiderstandsmessungen für Ag-BMs-leitende Filme wurden mit einem UV-Vis-Spektrometer (TU-1901, Beijing General Analytical Instrument) bzw. einem tragbaren Messgerät mit vier Sonden (tragbares Messgerät M-3 mit vier Sonden, China) durchgeführt. Der Rohrofen (OTF-1200X, HF-kejing) wurde für die thermische Stabilitätsmessung von Ag-NWs-Elektroden eingesetzt. Eine thermogravimetrische Analyse (TGA, DSC2500, TA Instruments) wurde durchgeführt, um die Stabilität von Polyimidproben mit einer Heizrate von 10 °C min−1 unter N2-Bedingungen und einer Durchflussrate von 100 ml min−1 zu überprüfen. Die Oberflächentemperatur der Ag BMs/ePI-Heizung wurde mit einer thermischen Infrarotkamera (D-384M, Guide Infrarot Co., Ltd.) aufgezeichnet. Ein digitales Multimeter (Agilent B2900) wurde verwendet, um die Widerstandsänderung und die Versorgungsvorspannung für Ag-BMs/ePI-Elektroden zu untersuchen.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wird vom Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation-Programm (Grant-Nr. 2020A1515110292), der Shandong Provincial Natural Science Foundation (Grant-Nr. ZR2020QF080) und dem Qilu Young Scholar-Programm (Grant-Nr. 11500089963022), China, unterstützt. Zusätzliche Diskussionen über die Details der REM-Bilder von Ag-BMs/ePI-Elektroden mit mehrstufigen Auflösungen bei unterschiedlichen Vergrößerungen, Verteilung des Schichtwiderstands von Ag-BMs/ePI-Leitern, Trübung, thermische Stabilität bei 350 °C in Stickstoffatmosphäre, Ag-BMs auf PDMS-Substrat Eigenschaften, thermochromer Prozess der Ag BMs/ePI-Elektrode, Vergleich der wichtigsten Leistungsparameter zwischen Ag BMs/ePI-Heizgeräten mit anderen wichtigen Heizgeräten und Berechnungsformel von Bi sind enthalten. Dieses Material ist kostenlos im Internet unter https://doi.org/xxxxxxxxxxx verfügbar.

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Kai Qian

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Kai Qian

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KQ und JX konzipierten und gestalteten das Werk. BS führte die Herstellung anpassungsfähiger Geräte durch und führte elektrische und optische Messungen durch. BS, RX und WH führten den Elektroheizungstest durch. KQ, JX, JC, BS und RX haben das Manuskript geschrieben und überarbeitet. BS, RX, XH, JX, WH, YX, ZF, HZ und XS analysierten und interpretierten die Daten. Alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und kommentierten das endgültige Manuskript. KQ, JX, JC, JW und PC überwachten das Projekt.

Korrespondenz mit Jingjing Chang, Jiaqing Xiong oder Kai Qian.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Eingegangen: 20. Januar 2022

Angenommen: 22. Mai 2022

Veröffentlicht: 20. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41528-022-00182-8

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