聚合物表面基于光还原串联体积加成法导电金属图案的构筑

In this research, two steps to fabricate conductive metal pattern on the substrate via photo-patterning and volume additive process in-situ was proposed. The copper pattern on the substrate will be prepared by photoreduction of copper ion. Then the volume additive in-situ via displacement reaction will be carried to achieve the conductive metal pattern. The principle of photo-patterning is that the radical, which is produced by the photolysis of photoinitiator, reduces the copper ion and the copper particles absorb on the substrate. Combining the spatial irradiation, the copper pattern will be formed. But this copper pattern is not conductive, for the pattern is composed of particles and the gap exists between the particles. Based on the concept of volume additive, the idea “elemental metals with high valence reducing metal ions with low valence, metals with large atomic radius replacing metals with small atomic radius, both of these together to achieve volume growth in situ” was proposed to turn the non-conducting metal pattern which is composed of independent particles in micro-structure to conductive metal pattern whose micro-structure is continuous. This research may simply the fabrication process of metal conductive pattern. It will provide new idea and new method to develop the metal conductive pattern with environmental friendly, low energy conservation and emissions.

本研究利用光致还原串联体积加成法在聚合物表面构筑导电金属图案。首先对PET表面进行改性，采用光致还原法在PET基材上构筑金属铜图案，在此基础上进行金属原位体积加成获得导电金属线路。光致还原法制备图案化金属线路即利用光引发剂受光分解产生自由基还原铜离子，生成的铜纳米粒子异相成核在基材表面，结合光照的空间可控，如若限域光照，即可局部还原金属离子而在基材表面形成金属线路图案，而由铜纳米粒子组成的金属线路由于粒子之间存在空隙无法导电。利用“体积加成”的设计理念，提出了“采用具有高价态的单质金属还原低价态金属的离子和大尺寸原子半径金属置换小尺寸原子半径金属，两者协同作用原位实现金属图案的体积加成”，解决由纳米粒子组成的金属线路从微观组织不连续到连续的关键问题，避免了以往研究中用高温烧结、激光烧结等极端条件，温和高效地实现了金属线路导电。该方法可以拓展并实现其他非连续金属图案转化为连续图案。

导电金属图案作为微电子元器件之间的连接介质，具有极大的市场价值。它使我们目前千差万别的电子产品成为可能，从手机到显示器，从电视到卫星，从电脑到通信器材无不用到导电金属图案，它是微电子工业的基础之一。目前在基材上构筑导电金属图案的方法目前主要采用减材制备法。减材法制造工艺需要经过十几到二十多道制作工序，如覆铜、涂胶、烘烤、曝光、后烘、显影、刻蚀、去胶、洗涤等等步骤，该过程有大量的重金属离子污水排放、还会有其他有机溶剂和废液产生，且工艺复杂，流程长，能耗高。增材法增材法工艺简单，没有浪费，效率非常高且十分经济。本研究就是基于增材制造法构筑导电金属图案，即采用光致图案后串联金属体积加成构筑导电金属图案。本研究主要从三个大的方向展开研究：（1） 研究基材表面改性方法，赋予各种基材表面特殊性能；（2）研究光化学还原铜离子到金属铜时各因素对反应的影响，研究光致反应制备图案化铜膜图案的方法，铜膜的厚度监测等；（3）基于金属粒子组成的图案如何原位转化成金属膜并实现金属图案导电的方法、机理以及最后图案的导电性能等。从以上三方面开展深入研究，最终制备了在聚合物基材上具有良好导电性能的金属图案，金属图案的电阻处于7.8×10−7 Ω m，与铜的电导率在同一数量级。且在柔性基材上电导率不受变形角度的影响，保持线性关系，具有非常好的在柔性基材上应用的潜力。这一方法大大简化了传统刻蚀工艺制备金属图案的方法，而且在降低污染、减少能耗、减少排放等方面具有非常突出优势。另外，利用金属原位体积加成这一原理，可以对所有由金属粒子组成的金属图案等，实现从微观不连续到连续而不改变原有图案形貌尺寸等的非常简便且有效的方法，可以拓展到其他应用领域中。也鉴于此原理，我们进一步提出了基于磁场图案化串联金属原位体积加成构筑金属导电图案的方法，更进一步提高了构筑金属图案的稳定性以及制备的效率，也是对该领域的一个延伸与拓展。