AFM：加拿大学者开发出新型阻气性弹性体，助力柔性光电制造
发布时间：2016-06-08来源：
【背景】
目前，柔性电子设备的发展严重依赖于聚二甲基硅氧烷弹性基板。虽然聚二甲硅氧烷有许多独特的优势,但对于不耐氧气和水蒸气腐蚀的材料来说,其高透气性反而有害，比如有机半导体以及易氧化金属等。从该角度考虑，聚二甲基硅氧烷并不能保护材料免受大气腐蚀。因此，当务之急是开发阻气性较好的弹性基板,以提高可伸缩元件的寿命。
该研究中,研究人员将丁基橡胶材料改造用于可伸缩电子产品基板。丁基橡胶有着很低的透气性，目前经常用作橡胶轮胎的密封层（内衬），用以保持轮胎的气压。该材料不仅光滑透明,还具有独特的低透气性,倘若用于防电子材料大气腐蚀失效方面，其效果要远远优于聚二甲基硅氧烷。
【图文导读】
图一 透明丁基橡胶(T-IIR)的制备及其性能表征
图1a 带有乙烯基的丁基橡胶离子交联聚合物（BB2030-DPPS）的制备。利用商业溴化丁基橡胶（BB2030）与二棕榈酰磷脂酰丝氨酸（DPPS）反应，生成带有乙烯基的丁基橡胶离子交联聚合物。此外，优先经自由基齐聚反应进行交联材料，再将带有乙烯基的丁基橡胶离子交联聚合物与过氧化氢混合，最后在175℃下压模铸造制备出交联透明丁基橡胶板。
图1b 透光度是透明丁基橡胶能否在柔性光电领域应用的一个关键指标。标准的压缩成型方法生产的透明丁基橡胶板表面粗糙，透光较低。本图为透明丁基橡胶熔铸聚四氟乙烯的透射光谱（红色线），以及表面镀铝聚二甲基硅氧烷的透射光谱（绿色线）。从图中可以看出透明丁基橡胶熔铸聚四氟乙烯，在波长为550 nm时透光率只有15%。
图1c 为透明丁基橡胶熔铸表面镀铝聚二甲基硅氧烷实物样品照片，该样品的均方根表面粗糙度为3.9±0.6 nm，容易脱模。其表面平滑度相当于图1b 中波长为500nm时透光率为80%的样品。
图1d 为透明丁基橡胶熔铸表面镀铝聚二甲基硅氧烷的原子力显微形貌。分析对比发现，虽然聚二甲基硅氧烷的表面粗糙度（1.4±0.3nm）与其所差无几，但聚二甲基硅氧烷的透光度要好得多（550nm 时透光率为100%）
图二 用于有机电子材料设备的透明丁基橡胶气体隔离层
图2a为玻璃基混合卤化物钙钛矿薄膜的紫外—可见光吸收光谱。已知该种物质在潮湿的环境下受热易分解。所以该研究在以下条件下：用透明丁基橡胶蜜密封薄膜24 h（绿色线）和48h（蓝色线），聚二甲基硅氧烷密封薄膜24小时（红色线），薄膜无密封处理24小时（紫色线），然后在相对湿度为100%时将薄膜加热到75℃。测试吸收率以表征气体隔离层的效果。并设置了原始的、未经处理的钙钛矿薄膜（黑线）作为原始对照组，图中可以看出原始对照组在适宜的环境下表现出了超高的吸收率。
图2b为LEEC密封示意图。LEEC的结构由下至上依次为玻璃板、氧化铟锡、磷光材料Ru(dtb-bpy)3(PF6)2、纯金金属层、弹性密封层。（注：LEEC架构简单,为三明治结构，自发光材料位于中间层，形成两电极间的离子和电子导体混合结构）
图2c为聚二甲基硅氧烷密封LEECs，潮湿处理前（红色线）后（黑色线）的电流（实线）和辐射率（虚线）随时间变化曲线。可观察到潮湿处理后电流提高，但光辐射率有较大程度的降低。
图2d为透明丁基橡胶密封LEECs，潮湿处理前（红色线）后（黑色线）的电流（实线）和光辐射率（虚线）随时间变化曲线。可观察到潮湿处理后电流和光辐射率保持相对稳定。
图三 用于金属防腐的透明丁基橡胶气体隔离层
图3a-3f：图3a和3d分别为未处理的铜片和银层形貌；图3b和3e分别为用二甲基硅氧烷密封后的铜片和银层在相对湿度为100%的环境下暴露7天后的样品形貌；图3c和3d分别为用透明丁基橡胶密封的铜片和银层在湿度为100%的环境下暴露7天后的样品形貌。
图3g和3h分别为在相对湿度为100%的环境下，用透明丁基橡胶（插图为用二甲基硅氧烷）密封的铜片和银层电阻随时间变化曲线。
图3i为在相对湿度为100%环境下，用二甲基硅氧烷（蓝色线）和透明丁基橡胶（绿色线）密封的LED电路电压随时间变化曲线。
图3j为用透明丁基橡胶密封LED电路，在水中浸泡180小时前后的宏观照片，其中插图为浸泡前的宏观照片。
注：图中比例尺为200μm，膜厚为250埃（25μm）
图四 用于抗硝酸酸雾腐蚀的透明丁基橡胶隔离层
图4a 为纳米银线薄膜层在硝酸酸雾腐蚀前的紫外-可见光透射光谱（黑色线）；无密封层条件下经12小时硝酸酸雾腐蚀处理后的透射光谱（蓝色线）；用透明丁基橡胶（绿色线）或二甲基硅氧烷（红色线）密封后的紫外-可见光透射光谱
图4b-4d为玻璃基纳米银线薄膜的光学显微图（比例尺为40μm）。图b为未处理纳米银线显微图；图c和图d分别为在片压式二甲基硅氧烷和压片式透明丁基橡胶隔离防护下，经硝酸酸雾腐蚀12小时后的光学显微照片；对比发现透明丁基橡胶的防护效果更好。
