抗氧化铜微结构的飞秒激光直写及其电性能调控机理

Flexible electrode manufacturing with high-efficiency, eco-friend, low-cost has large application potential in the field of consumer /wearable electronics, aerospace, medical, energy, etc. Copper based ink-jet and sintering processing is suffered with complexity and oxidation issues. Femosecond(fs) laser processing has became a hot-area of micro/nano manufacturing due to its non-linear energy absorption, ultra-fast laser-material interaction and ultra-low thermal effect. Here in this project, a new electrode/micro-structure fabrication strategy is proposed to reduce the oxidation and increase efficiency. Direct-writing of Cu ion-organic film with fs-laser to form electricity-tunable and reliable electrodes/micro-structures. Photoreduction induced by laser light could reduce Cu ion to Cu and form nanoparticles (NPs), meanwhile, these NPs are joined together in-situ to gain conductivity. This direct process would not have oxidation issue during NPs fabrication. Unlike the conventional sintering or laser sintering, fs-laser joining can keep the organics still coating on Cu NPs to gain a long-term anti-oxidation property. The spatial and time resolution of fs-laser process will enable the conductivity of electrode/micro-structure to be tuned entirely or partially according to the practical applications. This would open a room for fabricating of micro-electronics, flexible devices directly and cost-effectively. The contributions of this project would also benefit the electronic industry for a low-cost Cu usage and a green, effective and sustainable processing technology.

高效、环保、低成本的柔性电极制造在消费电子、航空航天、医疗、能源等领域有广泛应用前景，以贱金属铜为代表的喷墨烧结制造方法受到工艺复杂、氧化问题的困扰。飞秒激光与物质作用时具有极低热效应、超快加工过程等优点，已成为微纳加工研究热点。本项目提出直接从铜离子油墨出发，利用飞秒激光在柔性基体上进行导电性能可调的电极/微结构的直写加工与机理研究。通过光还原得到纳米铜颗粒并原位光连接形成导电结构，解决制造中铜的氧化问题；利用飞秒激光作用的超快过程减少保护性有机物的烧蚀和去除，减轻铜微结构在后续使用过程中的氧化问题以提高其可靠性；利用飞秒激光的空间和时间区域精确控制，在直写过程中通过还原和连接过程的控制实现微结构整体和局部不同部位的导电性调控。发展低成本、高效率制造柔性器件的新技术，推动铜纳米材料在电子行业的应用及电子制造业向环境友好、高效率和高附加值的产业转型与升级。

高效、环保、低成本的柔性电极制造在消费电子、航空航天、医疗、能源等领域有广泛应用前景，以贱金属铜为代表的喷墨烧结制造方法受到工艺复杂、氧化问题的困扰。飞秒激光与物质作用时具有极低热效应、超快加工过程等优点，已成为微纳加工研究热点。本项目提出了直接从铜离子油墨出发，利用飞秒激光在柔性基体上进行导电性能可调的电极/微结构的直写加工与机理研究。采用飞秒激光直写技术，在预涂覆廉价铜离子涂层的柔性基体上通过激光还原得到纳米铜颗粒并原位连接形成导电结构，成功得到具有优良导电性能的铜微电极。通过调控激光工艺参数，分析了纳米Cu颗粒还原、颗粒连接方式与微结构导电性的关系，建立了直写工艺-铜价态及连接方式-性能之间的影响规律。通过对比飞秒激光、半导体激光及直接加热的制备过程，探究了不同光、热作用对纳米铜颗粒还原及连接方式的影响，揭示了飞秒激光还原与连接纳米铜颗粒的机理。通过添加不同含量及种类的有机物，研究了有机物在激光作用下的变化，并进一步分析了有机物在飞秒激光直写过程中的变化及状态。据此，探究了起保护作用的有机物在Cu结构抗氧化性能中的贡献，并揭示了Cu微结构抗氧化机理。提出了铜微结构导电性能的整体或局部（选区）调控机制，获得具有不同电性能的可靠Cu 微结构直写技术（可调范围为0.2μΩ·m 至数MΩ·m）；成功直写制备了电阻加热器、湿度传感器、记忆电阻器件等，为后续不同微电子器件的铜微结构设计中的不同电阻率需要提供工艺设计原则。促进微电子器件和微电子单元的低成本、快捷制造和发展，丰富纳连接理论，提升我国在该研究领域的国际地位。发表SCI论文16篇，EI论文1篇，申请发明专利1项。完成了本项目的研究目标。并根据本项目研究结果及积累，成功获批国家自然科学基金面上项目1项。本项目研究工作是发展低成本、高效率制造柔性器件的新技术，有望推动铜纳米材料在电子行业的应用及电子制造业向环境友好、高效率和高附加值的产业转型与升级。