哈工大何鹏/张墅野教授团队《ACS AMI》封面：光子烧结Cu@Ag纳米线柔性透明导电膜

脉冲光子烧结协同实现Cu@Ag纳米线节点连接与界面锚定，用于柔性透明电磁屏蔽与热管理

随着柔性电子、可穿戴器件和高频电子系统快速发展，透明导电薄膜不仅需要兼顾高透光率和低电阻，还需具备良好的机械可靠性、环境稳定性以及电磁屏蔽和热管理能力。

ITO透明电极具有优异的光电性能，但本征脆性限制了其在柔性器件中的应用。银纳米线（AgNWs）具有良好的导电性和柔性，但材料成本较高；铜纳米线（CuNWs）成本较低、导电性能优异，却容易氧化。此外，金属纳米线节点连接以及纳米线网络与热敏聚合物基底之间的界面稳定性，也是影响柔性透明导电膜长期服役的重要因素。

针对上述问题，哈尔滨工业大学何鹏/张墅野教授团队采用具有抗氧化能力的Cu@Ag核壳纳米线构筑柔性透明导电网络，并通过脉冲光子烧结进行快速后处理。研究结合微观结构表征、瞬态热模拟、不同烧结能量下的形貌演变及机电可靠性测试，分析了Cu@AgNW网络在脉冲光作用下的连接与界面行为。结果表明，脉冲光处理通过Ag壳软化/回流、表面扩散及Cu–Ag界面结合促进纳米线节点连接，同时诱导PI基底表面瞬态软化，使部分纳米线嵌入基底并增强界面锚定。优化后的薄膜实现了16.9 Ω/sq的方阻和81.6%的透过率，并表现出稳定的机械、电磁屏蔽及电热性能。

该工作以“Synergistic Photonic Sintering of Robust Cu@AgNWs for Environmentally Stable Electromagnetic Interference Shielding and High-Response Thermal Management”为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces。论文作者包括Zhenfeng Li、Yifan Zhao、Jianhang Shao、Zixu Wang、Jinyang Li、Peng He和Shuye Zhang，张墅野为通讯作者。

文章链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.6c10146

主要内容
1Cu@Ag核壳纳米线的制备及稳定性

研究首先在Cu纳米线表面构筑Ag保护层，形成Cu@Ag核壳纳米线。TEM、HRTEM及EDS结果表明，Ag在CuNW表面形成连续的多晶壳层，同时保持纳米线整体结构。

进一步的环境稳定性测试显示，Cu@AgNWs在空气中储存60、100和180天后，仍保持Cu和Ag的特征衍射峰，未检测到明显的结晶Cu₂O或CuO。热分析结果表明，与原始CuNWs相比，Cu@AgNWs的Cu氧化起始温度推迟约91 ℃，Cu₂O向CuO转变的温度推迟约67 ℃，表明Ag壳层能够有效抑制Cu芯氧化。

图1. Cu@Ag纳米线的微观结构与物相表征。

图2. Cu@Ag纳米线的物相组成、环境稳定性及热性能分析。

2Cu@AgNW柔性透明导电膜的脉冲光子烧结

研究将Cu@AgNWs喷涂于PI柔性基底，并采用氙灯脉冲光进行烧结处理。光源覆盖约200–1000 nm波段，典型脉冲宽度为2 ms，通过调节能量密度控制纳米线节点连接和薄膜/基底界面作用。

瞬态热模拟表明，脉冲照射过程中，热量主要集中在Cu@AgNW导电网络及膜/基底界面。局域热输入促进Ag壳软化/回流、表面扩散及Cu–Ag界面结合，使搭接纳米线形成稳定连接；与此同时，PI表面发生瞬态软化，使部分纳米线嵌入基底，而PI内部仍维持较低温度。

论文指出，这一过程形成了局域光热节点连接与PI表面软化/嵌入的耦合机制，从而同时改善导电网络连接和界面稳定性。

优化后的Cu@AgNW薄膜实现了16.9 Ω/sq方阻和81.6%透过率，兼顾了导电性与透明性。

图3. Cu@AgNW柔性透明导电膜的脉冲光子烧结过程、瞬态热模拟及光电性能。

3、机械稳定性及电磁屏蔽性能

光子烧结后的Cu@AgNW薄膜表现出良好的机械可靠性。在180°弯折、约5 mm弯曲半径条件下进行5000次循环后，薄膜最大电阻变化仍低于4%。研究认为，PI表面的局域软化和纳米线嵌入有助于抑制弯折过程中纳米线脱层和节点滑移。

此外，研究还对薄膜进行了200 ℃、7天高温老化和85 ℃/85% RH、7天湿热测试，进一步验证了其在复杂环境下的稳定性。

图4. Cu@AgNW柔性透明导电薄膜的机械及环境稳定性。

在电磁屏蔽方面，随着纳米线网络密度增加，薄膜的X波段EMI屏蔽性能明显提高。其中，透过率约73.7%和65.5%的薄膜，其总屏蔽效能分别达到约26 dB和39 dB。分析结果表明，Cu@AgNW网络的电磁屏蔽由反射和吸收共同贡献。

研究还将Cu@AgNW薄膜作为透明窗口集成至屏蔽盒中进行无线信号衰减演示，覆盖薄膜后测试信号由约−52 dBm降低至−65 dBm。论文同时指出，该实验主要用于定性展示无线信号衰减，并非针对特定商用无线通信频段的定量屏蔽测试。

图5. Cu@AgNW柔性透明导电薄膜的X波段EMI屏蔽性能及无线信号衰减演示。

4、低电压电热性能及柔性热管理应用

Cu@AgNW薄膜还表现出良好的焦耳加热性能。论文结果显示，薄膜在低电压下即可产生明显温升，并可通过调节纳米线网络密度和施加电压控制工作温度。

研究进一步将薄膜集成于手套手指位置进行柔性加热演示。在1 V电压下，器件可达到约35.6 ℃；随着电压升高，加热温度进一步提高。在手指反复弯曲条件下，薄膜仍能保持稳定的电热输出。论文结论指出，优化后的Cu@AgNW薄膜在3 V条件下可实现超过70 ℃的温升。

需要说明的是，论文所用温度采集系统的时间间隔为1 s，因此作者没有将其表述为“小于1 s的响应时间”，而是定义为在测试时间分辨率内观察到快速的开关温度变化。

图6. Cu@AgNW透明加热器的电热性能及柔性热管理应用。

综合来看，该研究通过脉冲光子烧结实现了Cu@AgNW网络的局域节点连接和PI基底界面锚定，并获得兼具导电、透明、机械稳定、电磁屏蔽和电热性能的柔性透明导电薄膜。论文认为，该工作为核壳纳米线网络的光子加工提供了基础认识，并为下一代柔性电子器件提供了一种可规模化、节能的制造策略，在电磁防护、柔性电子和热管理等领域具有应用潜力。

作者简介

张墅野，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院副教授、博士生导师，国家级青年人才。2017年于KAIST韩国先进科学技术院获得博士学位。主要从事电子封装与制造、电子器件及系统可靠性评价等研究工作，相关研究涉及柔性电子、微纳互连及光子烧结等方向。

何鹏，哈尔滨工业大学材料科学与工程学院教授、博士生导师。主要从事新材料及异种材料连接、微纳连接、柔性电子互连与可靠性、纳米材料光烧结及绿色焊接材料与工艺等研究。主持国家重点研发计划、国家自然科学基金等科研项目，曾获国家自然科学二等奖、国家科技进步二等奖等。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

近期学术会议推荐

欢迎留言，分享观点。点亮❤