AFM:加拿大学者开发出新型阻气性弹性体,助力柔性光电制造


【背景】

目前,柔性电子设备的发展严重依赖于聚二甲基硅氧烷弹性基板。虽然聚二甲硅氧烷有许多独特的优势,但对于不耐氧气和水蒸气腐蚀的材料来说,其高透气性反而有害,比如有机半导体以及易氧化金属等。从该角度考虑,聚二甲基硅氧烷并不能保护材料免受大气腐蚀。因此,当务之急是开发阻气性较好的弹性基板,以提高可伸缩元件的寿命。

该研究中,研究人员将丁基橡胶材料改造用于可伸缩电子产品基板。丁基橡胶有着很低的透气性,目前经常用作橡胶轮胎的密封层(内衬),用以保持轮胎的气压。该材料不仅光滑透明,还具有独特的低透气性,倘若用于防电子材料大气腐蚀失效方面,其效果要远远优于聚二甲基硅氧烷。

【图文导读】

图一 透明丁基橡胶(T-IIR)的制备及其性能表征

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图1a  带有乙烯基的丁基橡胶离子交联聚合物(BB2030-DPPS)的制备。利用商业溴化丁基橡胶(BB2030)与二棕榈酰磷脂酰丝氨酸(DPPS)反应,生成带有乙烯基的丁基橡胶离子交联聚合物。此外,优先经自由基齐聚反应进行交联材料,再将带有乙烯基的丁基橡胶离子交联聚合物与过氧化氢混合,最后在175℃下压模铸造制备出交联透明丁基橡胶板。

图1b  透光度是透明丁基橡胶能否在柔性光电领域应用的一个关键指标。标准的压缩成型方法生产的透明丁基橡胶板表面粗糙,透光较低。本图为透明丁基橡胶熔铸聚四氟乙烯的透射光谱(红色线),以及表面镀铝聚二甲基硅氧烷的透射光谱(绿色线)。从图中可以看出透明丁基橡胶熔铸聚四氟乙烯,在波长为550 nm时透光率只有15%。

图1c  为透明丁基橡胶熔铸表面镀铝聚二甲基硅氧烷实物样品照片,该样品的均方根表面粗糙度为3.9±0.6 nm,容易脱模。其表面平滑度相当于图1b 中波长为500nm时透光率为80%的样品。

图1d  为透明丁基橡胶熔铸表面镀铝聚二甲基硅氧烷的原子力显微形貌。分析对比发现,虽然聚二甲基硅氧烷的表面粗糙度(1.4±0.3nm)与其所差无几,但聚二甲基硅氧烷的透光度要好得多(550nm 时透光率为100%)

图二 用于有机电子材料设备的透明丁基橡胶气体隔离层

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图2a为玻璃基混合卤化物钙钛矿薄膜的紫外—可见光吸收光谱。已知该种物质在潮湿的环境下受热易分解。所以该研究在以下条件下:用透明丁基橡胶蜜密封薄膜24 h(绿色线)和48h(蓝色线),聚二甲基硅氧烷密封薄膜24小时(红色线),薄膜无密封处理24小时(紫色线),然后在相对湿度为100%时将薄膜加热到75℃。测试吸收率以表征气体隔离层的效果。并设置了原始的、未经处理的钙钛矿薄膜(黑线)作为原始对照组,图中可以看出原始对照组在适宜的环境下表现出了超高的吸收率。

图2b为LEEC密封示意图。LEEC的结构由下至上依次为玻璃板、氧化铟锡、磷光材料Ru(dtb-bpy)3(PF6)2、纯金金属层、弹性密封层。(注:LEEC架构简单,为三明治结构,自发光材料位于中间层,形成两电极间的离子和电子导体混合结构)

图2c为聚二甲基硅氧烷密封LEECs,潮湿处理前(红色线)后(黑色线)的电流(实线)和辐射率(虚线)随时间变化曲线。可观察到潮湿处理后电流提高,但光辐射率有较大程度的降低。

图2d为透明丁基橡胶密封LEECs,潮湿处理前(红色线)后(黑色线)的电流(实线)和光辐射率(虚线)随时间变化曲线。可观察到潮湿处理后电流和光辐射率保持相对稳定。

图三 用于金属防腐的透明丁基橡胶气体隔离层

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图3a-3f:图3a和3d分别为未处理的铜片和银层形貌;图3b和3e分别为用二甲基硅氧烷密封后的铜片和银层在相对湿度为100%的环境下暴露7天后的样品形貌;图3c和3d分别为用透明丁基橡胶密封的铜片和银层在湿度为100%的环境下暴露7天后的样品形貌。

图3g和3h分别为在相对湿度为100%的环境下,用透明丁基橡胶(插图为用二甲基硅氧烷)密封的铜片和银层电阻随时间变化曲线。

图3i为在相对湿度为100%环境下,用二甲基硅氧烷(蓝色线)和透明丁基橡胶(绿色线)密封的LED电路电压随时间变化曲线。

图3j为用透明丁基橡胶密封LED电路,在水中浸泡180小时前后的宏观照片,其中插图为浸泡前的宏观照片。

注:图中比例尺为200μm,膜厚为250埃(25μm)

图四 用于抗硝酸酸雾腐蚀的透明丁基橡胶隔离层

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图4a 为纳米银线薄膜层在硝酸酸雾腐蚀前的紫外-可见光透射光谱(黑色线);无密封层条件下经12小时硝酸酸雾腐蚀处理后的透射光谱(蓝色线);用透明丁基橡胶(绿色线)或二甲基硅氧烷(红色线)密封后的紫外-可见光透射光谱

图4b-4d为玻璃基纳米银线薄膜的光学显微图(比例尺为40μm)。图b为未处理纳米银线显微图;图c和图d分别为在片压式二甲基硅氧烷和压片式透明丁基橡胶隔离防护下,经硝酸酸雾腐蚀12小时后的光学显微照片;对比发现透明丁基橡胶的防护效果更好。

文献链接:Reinventing Butyl Rubber for Stretchable Electronics

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