纳米铜导电墨水的研制

摘要

本文采用化学还原一步法制备纳米铜胶体，以还原剂硼氢化钾(KBH4)，前躯体硫酸铜(CuSO4·5H2O)为主要反应物，添加乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)作为铜离子络合物，通过添加氢氧化钾(KOH)调节反应体系pH值，采用分散剂（十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP))，在水相介质中制备纳米铜胶体。主要探讨了在不同的反应环境下（不同pH、不同还原剂用量）分散剂CTAB的用量对纳米铜胶体的颗粒粒径、粒径分布以及纳米铜胶体的分散稳定性的影响;在一定分散剂用量下，KOH、EDTA-2Na的用量对纳米铜胶体颗粒粒径以及胶体分散稳定性的影响;反应场温度对纳米铜胶体颗粒粒径以及粒径分布的影响;分散剂PVP的用量对纳米铜胶体颗粒粒径以及粒径分布的影响;过离心将纳米铜胶体的纳米铜粉末分离净化，在复配分散剂以及其他助剂通过超声波分散，得到适当固含量、粘度、表面张力、电导率的纳米铜导电墨水。研究了纳米铜导电墨水的分散稳定性，喷墨导电薄膜的烧结导电性能。通过动态光散射粒度仪、透射电镜，扫描电子显微镜、X射线衍射仪(XRD)研究分析了纳米铜胶体以及纳米铜导电墨水的铜纳米颗粒的粒度、形貌、以及粒径分布;通过重力沉降分析，Zeta(ζ)电位分析，研究了纳米铜胶体最佳的分散稳定性条件。对纳米铜导电墨水喷涂的纳米铜薄膜在不同温度在氮气氛下烧结并利用四探针电阻率仪检测导电薄膜电阻率，研究最佳烧结温度。实验结果表明:
　　 1、当CTAB的用量在0.11～0.32mol/L的范围内，随着CTAB的量增大纳米铜颗粒粒径先变小，后增大，在CTAB的用量为0.22mol/L时达到最小值1.09nm，随着CTAB的用量增加，纳米铜胶体的分散稳定性先提高后降低。
　　 2、当EDTA-2Na的用量在0.2～0.5mol/L的范围内，随着EDTA-2Na用量增加纳米铜颗粒粒径减小，纳米铜胶体体系的颗粒布朗运动作用比重力沉降作用强，分散稳定性提高。
　　 3、当KOH的用量在1.0～2.5mol/L的范围内，随着KOH的用量增加，纳米铜颗粒粒径减小，纳米铜胶体的分散稳定性先提高，后迅速降低;当体系的pH值在8.5-9.0之间，PVP的用量决定纳米铜胶体的分散稳定性，随着PVP用量增加体系重力沉降稳定性提高。
　　 4、分散剂PVP的用量在强碱环境下失效，纳米铜胶体分散稳定性并不随PVP的用量有所改变。Zeta(ζ)电位随着pH的升高，Zeta(ζ)电位提高，当pH达到11以上Zeta(ζ)电位会急剧降低，pH在8.5-9.5之间纳米铜胶体的Zeta(ζ)电位最高，达到-44.07，胶体分散稳定性最好。
　　 5、采用自制的纳米铜粉末复配分散剂制备纳米铜导电墨水，通过超声波分散10分钟可得到颗粒粒径为21nm的导电墨水，该纳米铜导电墨水的表面张力为39mN/m，粘度为3.8cps，电导率为1.3mS/cm并能长时间保持稳定，该纳米铜导电墨水可以稳定分散30天，符合商业喷墨导电墨水的技术参数要求。
　　 6、该纳米铜导电墨水具有较强的抗氧化能力，通过复配分散剂的作用，特别是PVP的保护作用，在水基溶液中保存30天，没有氧化。
　　 7、采用该纳米铜导电墨水制备的纳米铜导电薄膜，在氮气氛条件下，250℃温度烧结，可得到8.4mΩcm甚至更低的电阻率，最低可得到1.7mΩcm，可应用于大多数半导体产品的金属化工艺。

目录

摘要

Contents

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 纳米金属导电墨水的制备方法

1．2．2 纳米金属导电墨水的研究现状及应用

1．3 纳米导电墨水的分散方法及分散稳定性的研究

1．3．1 纳米铜导电墨水的分散方法

1．3．2 纳米流体的分散稳定性

1．4 纳米金属导电墨水的研究概况

1．4．1 纳米金属导电墨水的成份

1．4．2 纳米银导电墨水的制备

1．4．3 纳米铜导电墨水的研究

1．5 课题的主要研究内容

第二章 材料的制备与实验方法

2．1 实验方案

2．2 分散介质的选择

2．3 实验试剂及仪器

2．3．1 实验试剂

2．3．2 实验仪器

2．4 样品的表征方法

2．4．1 X射线衍射（XRD）

2．4．2 透射电镜（TEM）

2．4．3 激光粒度仪

2．4．4 扫描电镜观察（SEM）

2．4．5 纳米铜胶体的粘度及表面张力检测

2．4．6 纳米铜胶体的pH值测试、Zeta（ξ）电位测试以及沉降实验

2．4．7 热重分析DSC-TG

第三章 纳米铜胶体的制备及其分散稳定性的研究

3．1 实验制备原理

3．1．1 热力学分析

3．1．2 胶体制备反应历程

3．1．3 纳米铜胶体分散体系

3．2 分散剂CTAB对纳米铜胶体粒径大小、颗粒分布以及沉降稳定性的影响

3．2．1 实验方案

3．2．2 实验方法

3．2．3 实验结果与讨论

3．2．4 小结

3．3 络合剂EDTA-2Na对纳米铜胶体粒径大小、颗粒分布以及沉降稳定性的影响

3．3．1 实验方案

3．3．2 实验方法

3．3．3 实验结果与讨论

3．3．4 小结

3．4 KOH的用量对纳米铜胶体粒径大小、颗粒分布以及沉降稳定性的影响

3．4．1 实验方案

3．4．2 实验方法

3．4．3 实验结果与讨论

3．4．4 小结

3．5 反应温度对纳米铜胶体粒径大小、颗粒分布的影响分析

3．5．1 实验方案

3．5．2 实验方法

3．5．3 实验结果与讨论

3．5．4 小结

3．6 PVP对纳米铜胶体的粒径分布以及粒径大小的影响

3．6．1 实验方案

3．6．2 实验方法及现象

3．6．3 实验结果与讨论

3．6．4 小结

3．7 本章小结

第四章 纳米铜导电墨水的合成及其表征

4．1 纳米铜导电墨水的复配

4．2 结果与讨论

4．2．1 纳米铜导电墨水粒径及其分散稳定性检测

4．2．2 纳米铜导电墨水的物理化学性能检测

4．2．3 纳米铜粉末形貌检测

4．2．4 纳米铜粉末的物相分析

4．2．5 纳米铜粉末及导电墨水的热重分析

4．2．6 烧结温度对纳米铜导电薄膜的形貌以及电阻率的影响

4．3 本章结论

全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢