[发明专利]金属纳米颗粒合成与导电墨水配方

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求申请日为2013年12月16日，申请号为61/963,847的美国临时申请的权益和优先权，其全部内容通过引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及喷墨式墨水配方，具体涉及具有金属纳米颗粒的墨水配方。

背景技术

由于金属纳米颗粒独特的较小体积及较大表面的特性，金属纳米颗粒及其相关的墨水在印刷电子行业引起了广泛关注。近来，利用喷墨打印的方法，金属纳米颗粒墨水被直接用于打印精细导电图案。该方法要求墨水包含高浓度的可在溶剂中良好分散的小型纳米颗粒。尽管在此领域有很多科研项目，金属纳米颗粒的合成过程和配制的稳定性仍然有改善的空间。打印的薄膜要求在高温下烧结以达到打印图案良好的电导率。有需要在较低的温度下烧结，以使得器件的制造工艺与用于多种柔性电子元件的塑料衬底兼容。

发明内容

鉴于前面所述背景技术，本发明的目的在于提供改进的金属纳米颗粒的合成方法和墨水配方，其具有较高的固体材料负载和稳定的保存期，并且可在低温退火之后形成具有良好电导率的墨水配方。

相应的，在一方面，本发明提供墨水配方，其包括占所述墨水配方重量-体积百分比在10％-40％范围内的金属纳米颗粒；占所述墨水配方重量比为0.5％-5％范围内的分散剂；占所述墨水配方重量比在15％-50％范围内的粘度调整溶剂；及占所述墨水配方重量比为30％-80％的表面张力调节溶剂。

在本发明的一个实施例中，金属颗粒的大小为20-30纳米。

在本发明的一个实施例中，墨水配方的粘性在3-30cPs之间，或3-20cPs之间。

在另一方面，本发明公开了形成金属纳米颗粒混合物的方法，包括

a)将PVP溶解于基于乙二醇的溶剂中以得到PVP溶液；

b)将金属前体溶于亲水性溶剂以制备金属盐溶液；

c)以控制的速率将步骤b)中所述金属盐溶液加入步骤a)中所述PVP溶液以形成混合物；以及

d)将步骤c)中所述混合物离心并进一步清洗以获得所述金属纳米颗粒。

在本发明的一个实施例中，所述金属纳米颗粒的大小在20-30纳米范围内。

在本发明的一个实施例中，进一步将还原剂在步骤c)之前加入上述步骤a)中的PVP溶液。

另一方面，本发明提供了制备导电薄膜的方法，包括

a)形成上述墨水配方；

b)将步骤a)中所述墨水配方过滤并加载到打印机中；

c)以预设的打印参数通过在衬底上打印所述过滤后的墨水形成薄膜；以及

d)烧结步骤c)中所述薄膜以获得所述导电薄膜；

其中，在不高于150℃的温度下进行烧结。

在本发明的一个实施例中，所述导电薄膜的电阻率小于15μΩ.cm，或小于12μΩ.cm。

本发明的一个优点是墨水配方的高稳定性。本发明的另一个优点是墨水配方的湿润性和喷射特性得到了改进，而金属颗粒的负载可以维持在较高浓度。另外，根据本发明，可在较低烧结温度下形成具有良好电导率的薄膜。

附图说明

图1示出了在本发明示例1中合成的银(Ag)纳米颗粒的透射电子显微镜(TEM)图像。

图2示出了在本发明示例2中合成的铜(Cu)纳米颗粒的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图3(a)示出了包含Ag纳米颗粒的沉积的薄膜的SEM图像；图3(b)示出了在150℃下退火30分中后的SEM图像。

具体实施方式

如在此处和权利要求中使用的，“包括”意为包括下面的元素但不排除其他元素。

形成流畅的液滴是指墨水从喷嘴中以相对恒定的滴速滴出，而液滴的形状是理想的泪滴形的没有尾部的球状。液滴沿喷嘴的共轴方向无倾斜的流动。

金属纳米颗粒混合液的合成与分析

本发明提供了一种方便的方法来合成可在水溶剂中分散的金属纳米颗粒：

1.通过加热至90-160℃并伴随机械搅拌，将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶解在乙二醇(EG)或二甘醇(DEG)中。

2.如果需要，将还原剂加入到上述PVP溶液中。对还原剂及其浓度的要求将取决于使用的金属盐。

3.将金属前物溶解至去离子水(DI water)或EG溶液中.

4.将金属盐以控制的速率加入到PVP溶液中。

5.反应完成之后，通过离心操作将金属纳米颗粒从溶液中分离。

6.通过使用丙酮/酒精溶剂清洗来纯化纳米颗粒，并通过离心操作分离。