天津大学：开发用于可溶解电子产品引线互连的水烧结纳米复合材料

电子技术的快速发展导致全球消费电子产品销售额爆 炸式增长，2019年达到1.032亿美元，每年产生超过5360万吨电子垃圾。随之而来的消费电子产品的回收成为一个棘手的问题，因为它们中的大多数(约83%)被不负责任地处理，产生了多氯联苯、多溴联苯、聚氯乙烯、铅、镉和汞等有害物质，造成了严重的环境污染和公共健康问题。在回收的电子产品中，有大量的电子产品经过了粗糙和过于简化的处理，包括人工拆解、露天焚烧和酸浸。这些方法可能对人类健康和环境造成重大危害。而瞬态可降解电子器件可以在完成预设任务或使用寿命后自行发生部分或全部溶解，对于解决电子垃圾问题具有重要意义。目前瞬态电子器件主要采用无水无氧的CMOS方法以及新兴的印刷电子技术进行加工，前者较为苛刻的加工条件限制了瞬态电子大规模加工和进一步发展，而后者由于目前瞬态导电油墨的原材料选择有限，且印制瞬态图案的烧结需要在惰性气体的保护下利用光脉冲和激光烧结等大型设备进行烧结，不仅使得瞬态电子器件加工过程费时费力，又因烧结产生的高温限制了瞬态衬底的材料的选择。天津大学黄显教授团队曾提出一种基于酸酐辅助室温自烧结的锌纳米颗粒油墨可以用于瞬态PCB电路的制作，但是其单一瞬态金属材料导电率的上限也限制了应用范围。

近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院黄显教授团队在ACS Applied Materials & Interfaces 发表论文，报道了一种可用于可溶解消费电子产品的引线互连的室温水烧结纳米复合材料，利用酸酐遇水产生弱酸的特性，基于局部电化学腐蚀以及饱和金属离子再沉积的联合效应实现了纳米复合材料在室温环境下的温和烧结，烧结后的瞬态可溶性材料的电学性质与常规的银导电材料相当，实现了高性能的瞬态可溶性电路。纳米复合材料的烧结过程如图1所示。纳米复合材料中的酸酐遇水产生弱酸，弱酸与锌纳米颗粒以及银纳米线表面的氧化层发生反应释放金属阳离子，同时过量的酸会与锌纳米颗粒反应释放金属阳离子，由于锌与银之间存在活泼性差异，通过锌纳米颗粒的电偶腐蚀实现了锌离子在银纳米线表面的沉积与覆盖，随后体系中游离的锌离子与锌单质在锌纳米颗粒表面以及覆盖了锌的银纳米线表面自由交换而沉积，从而实现了纳米粒子和纳米线之间的导电路径。最后，所有水分子的蒸发导致锌酸盐的析出，进一步保护了导电锌基体，实现了电路在日常环境中的高稳定性。

图1. 纳米复合材料烧结机理

烧结后的纳米复合材料具有良好的导电性能和机械性能（图2）。其中银纳米线质量分数为5%的纳米复合材料的导电率高达3×105 S/m；在最大曲率半径为3.5 mm的前提下，经过8000次的反复弯折测试后导电率下降仅为8.9%；经过100次专业测试胶带的反复剥离之后，其导电率下降仅为5.8%。同时这种纳米复合材料具有良好的电热稳定性，在施加0.9安培及以下的电流时，温度上升小于10 °C,符合商用电路导线的电热要求。

图2. 纳米复合材料的电学性能及机械性能

凭借其良好的电学性能和机械性能，该纳米复合材料可以用于消费电子设备的内部引线。如图3所示，基于纳米复合材料通过丝网印刷的方法在聚乙烯醇基板上实现了智能手表的印刷制作。可降解智能手表除了可以显示时间日期以外，还可以实现人体血氧饱和度的采集以及行走步数的记录。与此同时，手表可以与手机通过蓝牙实现互联交互，在手表上实时接收手机的微信消息以及来电消息（图4）。

图3. 可降解智能手表及内部构造

图4.可溶解智能手表的不同功能演示

此外，整个手表可以在两天内实现在水中的溶解，只剩余手表中不可降解的芯片、显示屏、电池等器件，方便了器件的快速回收（图5a）。同时，该纳米复合材料具有良好的细胞相容性，为其作为植入式功能器件提供了更广泛的应用场景。

图5.智能手表的溶解和细胞毒性研究

这种可以在室温环境下水烧结的纳米复合材料为瞬态印刷电子器件在电子系统中的大规模应用提供了经济、环保和高效的方案。这种纳米复合材料在合成和加工过程中能耗极低，只需要水或者水蒸气就能够实现性能的飞跃，整个过程可以在室温和空气中进行，为大规模商业化也带来了便利。用户无需自行购买安装烧结设备，仅需将导线暴露在潮湿环境或滴加水即可完成烧结，具有十分重要的应用价值。基于这种纳米复合材料制作的可降解智能手表可以在两天内实现降解，为解决电子垃圾以及芯片快速回收提供了重要技术。