Терморегулируемая смачивающая способность токопроводящих пленок на основе электрофоретических концентратов наночастиц серебра

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Из концентрированных органозолей наночастиц серебра, стабилизированных бис-(2-этилгексил)сульфосукцинатом натрия, методом «Doctor Blade» получены однородные, шероховатые пленки с содержанием драгоценного металла до 73 ат. %. В работе приведена подробная детализация изменений смачиваемости пленок в зависимости от условий их термической обработки в диапазоне от 50 до 500°С. Температурная зависимость углов смачивания не монотонна и предусматривает переход от супергидрофильных к слабо гидрофильным системам вследствие процессов спекания наночастиц и термического разложения стабилизатора. Экспериментально установлено, что переход от непроводящих к токопроводящим покрытиям (от 500 до 105 мОм на квадрат) сопровождается резким ростом угла смачивания (от 25 до 78°).

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. И. Бабашова

Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН

Email: kolodin@niic.nsc.ru
Россия, Новосибирск

В. В. Бочаров

Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН

Email: kolodin@niic.nsc.ru
Россия, Новосибирск

В. С. Суляева

Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН

Email: kolodin@niic.nsc.ru
Россия, Новосибирск

Е. А. Максимовский

Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН

Email: kolodin@niic.nsc.ru
Россия, Новосибирск

А. Н. Колодин

Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: kolodin@niic.nsc.ru
Россия, Новосибирск

А. И. Булавченко

Институт неорганической химии им. А.В. Николаева СО РАН

Email: kolodin@niic.nsc.ru
Россия, Новосибирск

Список литературы

  1. Fernandes I.J., Aroche A.F., Schuck A., et al. Silver nanoparticle conductive inks: synthesis, characterization, and fabrication of inkjet-printed flexible electrodes // Scientific Reports. 2020. V. 10. № 1. P. 8878. https://doi.org/10.1038/s41598-020-65698-3
  2. Sreenilayam S.P., McCarthy É., McKeon L., et al. Additive-free silver nanoparticle ink development using flow-based laser ablation synthesis in solution and aerosol jet printing // Chemical Engineering Journal. 2022. V. 449. P. 137817. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137817
  3. Mo L., Guo Z., Yang L., et al. Silver nanoparticles based ink with moderate sintering in flexible and printed electronics // International Journal of Molecular Sciences. 2019. V. 20. № 9. P. 2124. https://doi.org/10.3390/ijms20092124
  4. Iram N., Khan S.N., Ahmed M., et al. Synthesis and characterizations of silver nanoparticles-based conductive ink for high-frequency electronics // Physica Scripta. 2024. V. 99. № 8. P. 0859a8. https://doi.org/10.1088/1402-4896/ad664f
  5. Xu L., Wang Y.Y., Huang J., et al. Silver nanoparticles: Synthesis, medical applications and biosafety // Theranostics. 2020. V. 10. № 20. P. 8996–9031. https://doi.org/10.7150/thno.45413
  6. Демидова М.Г., Колодин А.Н., Максимовский Е.А., Булавченко А.И. Получение, оптические свойства и смачиваемость двусторонних пленок на основе нанокомпозита серебро–сорбитан моноолеат // Журнал Физической Химии. 2020. Т. 94. № 8. С. 1256–1262. https://doi.org/10.31857/s0044453720080063
  7. Kitenge D., Joshi R.K., Hirai M., et al. Nanostructured Silver Films for Surface Plasmon Resonance-Based Gas Sensors // IEEE Sensors Journal. 2009. V. 9. № 12. P. 1797–1801. https://doi.org/10.1109/JSEN.2009.2031168
  8. Ciesielski A., Skowronski L., Trzcinski M., et al. Controlling the optical parameters of self-assembled silver films with wetting layers and annealing // Applied Surface Science. 2017. V. 421. P. 349–356. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.01.039
  9. Abu Bakar N., Shapter J.G. Silver nanostar films for surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) of the pesticide imidacloprid // Heliyon. 2023. V. 9. № 3. P. e14686. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2023.e14686
  10. Khandelwal S., Devi N.R., Pappu S. Eco-friendly strategy for producing bio-based silver nanoparticles (AgNPs) employing sepioteuthis lessoniana ink, in addition to biological and degradation of dye applications // Appl Biochem Biotechnol. 2024. P. 1–23. https://doi.org/10.1007/s12010-024-05001-6
  11. Manikandan N.A., McCann R., Kakavas D., et al. Production of silver nano-inks and surface coatings for anti-microbial food packaging and its ecological impact // International Journal of Molecular Sciences. 2023. V. 24. № 6. P. 5341. https://doi.org/10.3390/ijms24065341
  12. Kirscht T., Jiang L., Liu F., et al. Silver nano-inks synthesized with biobased polymers for high-resolution electrohydrodynamic printing toward in-space manufacturing // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2024. V. 16. № 33. P. 44225–44235. https://doi.org/10.1021/acsami.4c07592
  13. Zhang J., Ahmadi M., Fargas G., et al. Silver nanoparticles for conductive inks: from synthesis and ink formulation to their use in printing technologies // Metals. 2022. V. 12. № 2. P. 234. https://doi.org/10.3390/met12020234
  14. Tai Y.L., Wang Y.X., Yang Z.G., et al. Green approach to prepare silver nanoink with potentially high conductivity for printed electronics // Surface and Interface Analysis. 2011. V. 43. № 12. P. 1480–1485. https://doi.org/10.1002/sia.3737
  15. Popovetskiy P.S., Kolodin A.N., Maximovskiy E.A., et al. Electrophoretic concentration and production of conductive coatings from silver nanoparticles stabilized with non-ionic surfactant Span 80 // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2021. V 625. P. 126961. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.126961
  16. Шапаренко Н.О., Арымбаева А.Т., Демидова М.Г., Плюснин П.Е., Колодин А.Н., Максимовский Е.А., Корольков И.В., Булавченко А.И. Эмульсионный синтез и электрофоретическое концентрирование наночастиц золота в растворе бис(2-этилгексил)сульфосукцината натрия в н-декане // Коллоидный Журнал. 2019. Т. 81. № 4. С. 532–540. https://doi.org/10.1134/s0023291219040153
  17. Поповецкий П.С., Булавченко А.И., Арымбаева А.Т., Булавченко О.А., Петрова Н.И. Синтез и электрофоретическое концентрирование Ag–Cu-наночастиц типа ядро–оболочка в микроэмульсии AOT в н-декане // Журнал Физической Химии. 2019. Т. 93. № 8. С. 1237–1242. https://doi.org/10.1134/s0044453719080235
  18. Kolodin A.N., Bulavchenko O.A., Syrokvashin M.M., et al. Conductive silver films with tunable surface properties: thickness, roughness and porosity // Applied Surface Science. 2023. V. 629. № 4. P. 157392. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.157392
  19. Kolodin A.N. Hydrophilization and plasmonization of polystyrene substrate with Au nanoparticle organosol // Surfaces and Interfaces. 2022. V. 34. P. 102327. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2022.102327
  20. Kolodin A.N., Syrokvashin M.M., Korotaev E.V. Gold nanoparticle microemulsion films with tunable surface plasmon resonance signal // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2024. V. 701. P. 134904. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2024.134904
  21. Богданова Ю.Г., Должикова В.Д. Метод смачивания в физико-химических исследованиях поверхностных свойств твердых тел // Структура и динамика молекулярных систем. 2008. Т. 2. № 4-А. C. 124–133.
  22. Колодин А.Н., Суляева В.С., Поповецкий П.С. Исследование шероховатости пленок на основе органозолей наночастиц серебра методом определения краевых углов смачивания // Физикохимия Поверхности и Защита Материалов. 2020. Т. 56. № 6. С. 616–624. https://doi.org/10.31857/s0044185620060157
  23. Воробьев С.А., Флерко М.Ю., Новикова С.А., Мазурова Е.В., Томашевич Е.В., Лихацкий М.Н., Сайкова С.В., Самойло А.С., Золотовский Н.А., Волочаев М.Н. Синтез и исследование сверхконцентрированных органозолей наночастиц серебра // Коллоидный журнал. 2024. Т. 86. № 2. C. 193–203. https://doi.org/10.31857/S0023291224020047
  24. Булавченко А.И., Поповецкий П.С., Максимовский Е.А. Свойства проводящих пленок из электрофоретического концентрата наночастиц серебра и золота в АОТ // Журнал Физической Химии. 2013. Т. 87. № 10. С. 1779. https://doi.org/10.7868/s0044453713100063
  25. Kolodin A.N., Tatarchuk V.V., Bulavchenko A.I., et al. Synthesis and electrophoretic concentration of cadmium sulfide nanoparticles in reverse microemulsions of Tergitol NP-4 in n-Decane // Langmuir. 2017. V. 33. № 33. P. 8147–8156. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.7b00690
  26. Surface Texture (Surface Roughness, Waviness, and Lay), New York: The American Society of Mechanical Engineers, 2003.
  27. Gu C.D., Xu X.J., Tu J.P. Fabrication and wettability of nanoporous silver film on copper from choline chloride-based deep eutectic solvents // Journal of Physical Chemistry C. 2010. V. 114. № 32. P. 13614–13619. https://doi.org/10.1021/jp105182y
  28. Подлипская Т.Ю., Шапаренко Н.О., Булавченко А.И. Формирование покрытий SiO₂@NPs (NPs = Ag, Au, CdS) из декановых органогелей на предметных стеклах в присутствии AOT // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2024. Т. 60. № 1. C. 47–56. https://doi.org/10.31857/S0044185624010051
  29. Rajesh Kumar B., Subba Rao T. AFM studies on surface morphology, topography and texture of nanostructured zinc aluminum oxide thin films // Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures. 2012. V. 7. № 4. P. 1881–1889.
  30. Fowkes F.M., Mostafa M.A. Acid-base interactions in polymer adsorption // Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. 1978. V. 17. № 1. P. 3–7. https://doi.org/10.1021/i360065a002
  31. Owens D.K., Wendt R.C. Estimation of the surface free energy of polymers // J. Appl. Polym. Sci. 1969. V. 13. № 8. P. 1741–1747. https://doi.org/10.1002/app.1969.070130815
  32. Wu S. Polymer Interface and Adhesion // New York: Marcel Dekker. 1982. p. 169–214.
  33. Van Oss C.J., Chaudhury M.K., Good R.J. Interfacial Lifshitz-van der Waals and polar interactions in macroscopic systems // Chem. Rev. 1988. V. 88. № 6. P. 927–941. https://doi.org/10.1021/CR00088A006
  34. Schultz J., Tsutsumi K., Donnet J.-B. Surface properties of high-energy solids. I. Determination of the dispersive component of the surface free energy of mica and its energy of adhesion to water and n-alkanes // J. Colloid. Interface Sci. 1977. V. 59. № 2. P. 272–276. https://doi.org/10.1016/0021-9797(77)90008-X
  35. Schultz J., Tsutsumi K., Donnet, J.-B. Surface properties of high-energy solids. II. Determination of the nondispersive component of the surface free energy of mica and its energy of adhesion to polar liquids // J. Colloid. Interface Sci. 1977. V. 59. № 2. P. 277–282. https://doi.org/10.1016/0021-9797(77)90009-1
  36. Washburn E.W. The dynamics of capillary flow // Phys. Rev. 1921. V. 17. P. 273–283. https://doi.org/10.1103/PhysRev.17.273
  37. Булавченко А.И., Демидова М.Г., Поповецкий П.С., Подлипская Т.Ю., Плюснин П.Е. Отделение избытка ПАВ от наночастиц серебра и золота в мицеллярных концентратах методом неводного электрофореза // Журнал Физической Химии. 2017. Т. 91. № 8. С. 1344–1352. https://doi.org/10.7868/s0044453717080088
  38. Boinovich L.B., Emelyanenko A.M., Emelyanenko K.A., Domantovsky A.G., Shiryaev A.A. Comment on “Nanosecond laser textured superhydrophobic metallic surfaces and their chemical sensing applications” by Duong V. Ta, Andrew Dunn, Thomas J. Wasley, Robert W. Kay, Jonathan Stringer, Patrick J. Smith, Colm Connaughton, Jonathan D. Shephard (Appl. Surf. Sci. 357 (2015) 248–254) // Applied Surface Science. 2016. V. 379. P. 111–113. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.04.056
  39. Wenzel R.N. Resistance of solid surfaces to wetting by water // Ind. Eng. Chem. 1936. V. 28. № 8. P. 988–994. https://doi.org/10.1021/ie50320a024
  40. Angelo M.S., McCandless B.E., Birkmire R.W., et al. (2007). Contact wetting angle as a characterization technique for processing CdTe/CdS solar cells // Progress in Photovoltaics: Research and Applications. 2007. V. 15. № 2. P. 93–111. https://doi.org/10.1002/pip.708

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Зависимость краевого угла воды на серебряных пленках от температуры прокаливания (а), а также снимки оптической микроскопии в режимах прямого (б) и обратного света (в) серебряных пленок без прокаливания (фоновые системы) и прокаленных при Т = 150, 200 и 250°C.

Скачать (399KB)
Метаданные
3. Рис. 2. 3D-сканы АСМ, а также профили шероховатости подложки (а) и серебряных пленок (без прокаливания (б) и прокаленных при температуре 150 (в), 200 (г), 250 (д), 300 (е), 350 (ж), 400 (з), 450 (и), 500°C (к)). На сканах пунктирной линией отмечены участки записи профилей.

Скачать (538KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Изменение средней арифметической шероховатости (а), среднеквадратичной шероховатости (б), эксцесса (в) и асимметрии (г) профиля шероховатости серебряных пленок при варьировании температуры прокаливания. Данные подложки отмечены черным маркером.

Скачать (140KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изменение значений глубины (а) и диаметра входного отверстия пор (б), а также пористости (в) и плотности (г) серебряных пленок (после прокаливания при температуре 150–500°C).

Скачать (139KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Характеристики органозоля наночастиц серебра: данные просвечивающей электронной микроскопии (а), фотон-корреляционной спектроскопии (б) и метода фазового анализа рассеянного света (в).

Скачать (176KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Сопоставление данных шероховатости и смачиваемости (а), а также элементного состава и смачиваемости (б) серебряных пленок, прокаленных при температуре 300–500°C. Пунктирными линиями отмечены корреляционные зависимости (Rq = 0.0303cosθ – 0.0134, R2 = 0.8919 и C(O) = 20.61 cosθ + 3.3661, R2 = 0.9950).

Скачать (104KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Результаты токовой спектроскопии (2D-скан АСМ и вольтамперограмма во вставке) поверхности серебряных пленок до (а) и после (б) прокаливания при температуре 250°C. Место записи вольтамперограммы обозначено точкой на скане.

Скачать (302KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимость поверхностного сопротивления от температуры прокаливания серебряной пленки.

Скачать (69KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025