【摘 要】
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纳米纤维素(CNF)薄膜具有透明度高、绝缘性能优异以及环保可降解等优点,有望作为绝缘材料用于下一代“绿色”电子器件。目前制备纳米纤维素薄膜主要采用过滤法以及铸涂法,存在难以控制尺寸以及不能精细图形化等问题。本论文以喷墨印刷法制备纳米纤维素薄膜为研究对象,首先通过不同助剂优化纳米纤维素墨水的可印刷性;之后结合纳米纤维素墨水的特性开发相应的高均匀薄膜制备工艺,从而实现直接图形化的高性能纳米纤维素绝缘薄
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纳米纤维素(CNF)薄膜具有透明度高、绝缘性能优异以及环保可降解等优点,有望作为绝缘材料用于下一代“绿色”电子器件。目前制备纳米纤维素薄膜主要采用过滤法以及铸涂法,存在难以控制尺寸以及不能精细图形化等问题。本论文以喷墨印刷法制备纳米纤维素薄膜为研究对象,首先通过不同助剂优化纳米纤维素墨水的可印刷性;之后结合纳米纤维素墨水的特性开发相应的高均匀薄膜制备工艺,从而实现直接图形化的高性能纳米纤维素绝缘薄膜。本文首先探究了纳米纤维素以及其水溶液的基本特性,并且通过控制变量法探索聚乙烯醇(PVA)、乙二醇(EG)以及氟碳表面活性剂(FSO)等对墨水特性的影响,从而成功获得适用于喷墨印刷的CNF墨水。研究表明,PVA和EG可以协同调控墨水的粘度和表面张力,并且EG能减缓墨水的整体挥发速率。当PVA含量为0.2 wt%以及EG含量为10 wt%时,CNF墨水的粘度和表面张力分别为9.6 m Pas和45.8 m N/m,与打印设备对墨水的技术要求相吻合。进一步地,本文基于CNF墨水触变性对外向毛细流动的抑制作用,同时结合表面活性剂对内向马拉格尼回流的增强作用,成功获得高均匀性的印刷CNF薄膜。当表面活性剂FSO的浓度为0.03 wt%时,所得CNF薄膜的咖啡环系数(CRF)仅为1.07。测试结果表明所得CNF薄膜具有高透明性、低漏电流密度和高有效电容,有望作为介电材料用于电子器件中。此外,针对喷墨印刷工艺中普遍存在的“咖啡环”效应,本文基于纳米纤维素墨水的特性提出一种挥发凝胶化的解决方案。流变测试表明,随着溶剂挥发,CNF墨水粘度增大以及内部网络节点增多,体现挥发-凝胶特性。基于此特性,本文通过控制基板温度加快溶剂的挥发速率,从而促使墨水实现溶液到凝胶液滴的转变,达到降低“咖啡环”效应影响并且提高印刷薄膜均匀性的目的。实验表明,挥发-凝胶机制适用于不同厚度、不同尺寸的均匀印刷薄膜制备,其中制备的CNF薄膜厚度均匀性的U值小于10%,电学均匀性的U值小于13%。最后,本实验基于印刷的CNF绝缘薄膜制备了相应的薄膜晶体管(Thin film transistor,TFT)器件。其中器件的开态电流接近10-4 A,开关比大于5×10~4,说明所得CNF绝缘薄膜具有应用于电子元器件的潜力。
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