Zigzag holle scheuren van zilveren nanodeeltjesfilm gereguleerd door zijn drogende micro-omgeving

Resultaten en discussie

Het koffieringeffect en de geïnduceerde Marangoni-stroom worden schematisch beschreven in Fig. 1b. De OA/EA-verhouding neemt toe aan het perifere gebied, vanwege de hogere verdampingssnelheid, evenals de hogere oppervlaktespanning en het kookpunt van OA (28 dyn/cm, 176 °C) dan EA (22 dyn/cm, 78 °C). Het oppervlaktespanningsverschil resulteert in een naar buiten gerichte Marangoni-stroming. Drie verschillende regio's (I, II en III) verschijnen na 2 cycli van UV-straling (60 s/cyclus) (Fig. 1c). De intervallen van elke cyclus worden gebruikt om het thermische effect te verwijderen. Opgeloste stoffen aggregeren in regio I vanwege de uitgaande compensatiestroom en worden snel gestold vanwege de felle verdamping. Regio's II en III zijn suspensies van nanodeeltjes, maar de laatste is schaarser. Meer cycli van bestraling zorgen ervoor dat regio III verandert van rimpelingen (3 cycli) in scheuren (10 cycli), terwijl regio II ruw is en regio I glad blijft (figuur 1d, e). De hechtingseigenschappen gaan ernstig achteruit wanneer scheuren worden gevormd. Figuur 1f beschrijft schematisch het onderliggende mechanisme. Monodisperse nanodeeltjes (aanvullend bestand 1:figuur S1) hebben de neiging om zelf-geassembleerd te zijn en een compacte oppervlaktefilm te vormen vanwege de naar buiten gerichte Marangoni-stroom, de verdampingskracht die de kracht opdrijft en de oppervlaktespanning (groot specifiek oppervlak). De filmdikte neemt af van gebied I tot III, waardoor de spanningen toenemen onder drukspanning, en zelfs radiale rimpelingen kunnen het gevolg zijn. De perifere oppervlaktefilm onderdrukt de verdamping van de onderliggende vloeistof, waardoor de compensatiestroom wordt omgekeerd, wat leidt tot een daling van het vloeistofniveau en een compressiespanning in de richting van de akkoorden induceert.

In oplossing verwerkte films die zijn uitgehard door UV-straling hebben een zwakker koffieringeffect vanwege de matige verdampingssnelheid dan thermisch behandelde films [8]. Het draagt ​​​​bij aan het verschil in de vorming van oppervlaktefilms (figuur 2a). Er moet rekening worden gehouden met het thermische effect wanneer de natte film gedurende 5 minuten continu wordt bestraald met UV, wat resulteert in zigzagvormige rimpelingen aan de rand (Fig. 2b). De vervorming in koorderichting is afkomstig van de verhoogde radiale drukspanning, die wordt veroorzaakt door de versterking van de buitenwaartse oppervlaktestroming en het verdampingsverschil. Meer regelmatige zigzagvormige rimpelingen kunnen worden waargenomen wanneer een gematigde temperatuur op het substraat wordt toegepast (T _s = 60 °C). De sintertijd (5 tot 15 min) onafhankelijkheid van rimpelingen demonstreert hun vorming voordat ze volledig gestold zijn (Fig. 2c). Door vloeistof ondersteunde dunne film aan het oppervlak is gemakkelijk vervormbaar onder de drukspanning en er ontstaan ​​scheuren langs de rimpelingen (figuur 2d). Naarmate het droogproces vordert, zal de omgekeerde compensatiestroom een ​​holle topografie van rimpelingen achterlaten, wat kan worden aangetoond door het EDS-gebied dat scant op zilveren elementen.

Zigzag holle scheuren. een Schematische voorstelling van het verschil tussen UV-straling en thermische behandeling voor de vorming van een film van nanodeeltjes aan het oppervlak. b Zigzagvormige rimpelingen verkregen met UV-straling gedurende 5 minuten. c Meer regelmatige rimpels verkregen op een verwarmd glassubstraat bij 60 ° C gedurende 5 tot 15 minuten. d SEM-EDS-metingen

De kritische invloed van verdamping op de vorming van scheuren is hierboven besproken. De drogende micro-omgeving is in staat om de verdeling van de verdampingsflux te reguleren, wat diepgaand is bestudeerd in ons vorige rapport [9, 10], en daarom waarschijnlijk ook een impact heeft op scheurvorming. Gebaseerd op het vereenvoudigde dampdiffusiemodel van oplosmiddelverdamping (c _ρ = rc ₀ /ρ ), een kleurenkaart van de dampconcentratie (c ) kan worden getekend om de invloeden van de drogende micro-omgeving op de verdamping van twee aangrenzende druppeltjes te beschrijven (figuur 3a). Asymmetrische verdampingsflux kan worden bereikt wanneer een andere druppel in de buurt wordt vrijgegeven. Een kleinere afstand van druppelgrenzen onderdrukt de verdamping en de oppervlaktestroming [11] (aanvullend bestand 1:figuur S2), waardoor de neiging om rimpels te vormen, vooral zigzagvormige, wordt verminderd. De buitenwaartse oppervlaktestroom verhoogt de luchtdruk tussen de druppels, waardoor ze zelfuitlijnend worden om een ​​korte afstand van slechts tientallen microns te bereiken. Zelfs geen rimpelingen gevormd in het dichtstbijzijnde gebied, en dan neemt de rimpellengte toe en herstelt zich uiteindelijk tot een zigzagvorm met de grotere afstand van druppelgrenzen (figuur 3b, c). Het gebied van het gladde perifere gebied wordt groter vanwege de meer tijd voor reductie en aggregatie van nanodeeltjes voordat ze zelf worden geassembleerd om een ​​dikke film te vormen onder het uitgangspunt van verdampingsonderdrukking. Bovendien is het onderdrukkingseffect duidelijker voor de eerste druppel, die 60 s eerder vrijkomt dan de tweede. De eerder gevormde oppervlaktefilm van de eerste druppel vermindert het verdampingseffect op de drogende micro-omgeving van de tweede druppel, terwijl de verdamping van de tweede druppel het hele rimpelvormingsproces van de eerste druppel zal beïnvloeden.

Zigzag holle scheuren gereguleerd door zijn drogende micro-omgeving. een Kleurenkaart van de drogende micro-omgeving op basis van het eenvoudigste dampdiffusiemodel. b Effect van de drogende micro-omgeving op twee achtereenvolgens vrijgekomen druppeltjes op korte afstand. c Rimpelingen veranderen van het dichtstbijzijnde gebied naar het verder gelegen gebied van twee aangrenzende druppeltjes

Benadrukt moet worden dat regulering van de drogende micro-omgeving niet alleen fungeert als een methode om zigzag-holle scheuren te onderdrukken, maar ook direct het nauwe verband aantoont tussen de vorming van scheuren en verdamping van oplosmiddelen. Dit werk heeft referentiële betekenis om hoogwaardige nanodeeltjesfilm te optimaliseren, vooral voor precursorinkt. Als er nog steeds druppels door de spuit worden afgegeven, kunnen de scheuren gemakkelijk worden verwijderd door de snelheid van chemische reductie te verhogen, ervan uitgaande dat de verdamping minder wordt beïnvloed (Aanvullend bestand 1:Afbeelding S3). Een dunne oppervlaktefilm op vloeistof, die gemakkelijk kan worden vervormd, kan zich vormen onder invloed van verdamping, wanneer de gereduceerde nanodeeltjes klein zijn. Daarom zal de versnelde chemische reductie de opgeloste stofconcentratie hoog genoeg maken om een ​​dikke zelf-geassembleerde oppervlakte-nanodeeltjesfilm te vormen en vervolgens de vorming van scheuren te voorkomen. Een andere effectieve manier om met de scheuren om te gaan, kan worden bereikt door de druppeltjes te verkleinen (Aanvullend bestand 1:Afbeelding S4). Inkjetprinten is een mogelijke techniek om natte film af te zetten die bestaat uit kleine druppeltjes (diameter ~  50 μm). Met inkjet bedrukte films die hetzelfde inktsysteem gebruiken, kunnen stollen zonder rimpels en barsten, zelfs 30 minuten uitharden bij een hoge temperatuur van 100 °C, gebruikmakend van [1] het snellere stollingsproces, [2] de zwakkere lokale verdampingssnelheid , [3] de zwakkere vloeistofstromen, [4] de hogere lokale concentratie opgeloste stoffen, en [5] de veranderde micro-drogingsomgeving van elke druppel.