《Nano TransMed》：Comparative analysis of thin transparent heaters based on silver nanowires formed by ultrasonic spray and spin coating
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银纳米线透明导体通过超声喷雾涂层与旋涂法制备，系统比较显示超声喷雾法制备的导体在9V下达到173°C，显著高于旋涂法的122°C，归因于更好的表面均匀性。该技术克服了传统方法的面积限制和热损伤问题，为柔性电子加热器提供新方案。
Pavel V. Arsenov | Konstantin S. Pilyushenko | Polina S. Mikhailova | Mikhail A. Atlanov | Maksim A. Popov | Dmitry A. Labutov | Alexey A. Efimov | Victor V. Ivanov
莫斯科物理技术学院，Dolgoprudny，莫斯科州，141701，俄罗斯
摘要
基于银纳米线（AgNWs）的透明导体结合了高透射率和低片电阻率。然而，这些性能在很大程度上取决于制备方法，该方法决定了薄膜的结构和形态特征。本文对比分析了通过超声喷雾涂层和旋涂法制备的AgNW透明导体，用于制造薄型透明加热器。我们通过平均温度、处于最高温度窄带内的面积比例以及加权均匀性系数（UCw）来评估加热器的均匀性。对于一种喷雾涂层的加热器，其透射率为约80％，片电阻率为11 Ω/sq，在9 V电压下可达到173 °C的最高温度，而旋涂法制备的加热器最高温度仅达到122 °C。我们还展示了使用高透明度的柔性喷雾涂层导体进行除冰的效果。这些结果突显了制备方法对于基于AgNW（以及其他纳米材料）的透明导体在柔性电子器件中的关键作用。
引言
薄型透明加热器（TTHs）被广泛应用于医学、电子、食品工业和汽车领域[1]、[2]、[3]、[4]。它们的主要用途是加热敏感的电子元件、维持设备温度以及防止结冰。这些加热器用于各种设施的加热系统中，例如汽车、工业干燥室以及家用设备，如水加热器和便携式室内空气加热器。近年来，金属纳米线（如银、铜和金）[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]作为薄型加热器中的透明导体材料受到了越来越多的关注。除了高透射率外，它们还必须具有低片电阻率以实现更高的加热温度。由于纳米线具有出色的柔韧性，并且与多种设备制造工艺兼容，因此它们成为氧化铟锡（ITO）[12]的有希望的替代品。银纳米线被认为是制造TTHs的最佳候选材料，因为银具有较高的热导率，基于AgNW的导体具有低片电阻率[12]。此外，AgNWs与柔性电子器件兼容，使其特别适合用于柔性TTHs[13]。然而，在大面积上实现均匀的导电性仍然是获得均匀高工作温度的关键挑战。
旋涂法仍然是制备基于银纳米线（AgNW）的透明导体（TCs）最常用的方法[14]、[15]。例如，参考文献[16]展示了旋涂的AgNW/GR/PEDOT:PSS复合薄膜在12 V电压下可达到约106 °C的温度。在[7]中，旋涂后通过聚合物去除处理降低了片电阻率，使得在5 V电压下可以达到150 °C。类似地，研究[17]利用旋涂法制备了基于MXene/AgNWs的TC，在5 V电压下的加热温度约为110 °C。然而，旋涂法的主要局限性在于其在基底上的涂覆面积有限。
用于制造透明薄膜加热器（TTHs）的其他大面积制备方法包括槽模涂层[18]、电纺[19]和喷枪喷涂[20]。本研究重点关注超声喷雾涂层技术，该技术能够在多种基底上实现均匀的大面积沉积，但在AgNW相关文献中报道较少[21]、[22]。超声喷雾产生的气溶胶具有单分散的液滴，能够形成无聚集物和表面缺陷的均匀薄膜，而这些缺陷在旋涂过程中经常出现。该工艺不需要高速旋转，因此适用于无法承受高温退火或离心负荷的柔性聚合物薄膜（如PET、PI）。此外，超声喷雾涂层的墨水损失非常低，这使其在大面积应用方面比其他已知方法更具优势。我们的工作系统地比较了这种技术与传统旋涂法在制备基于AgNW的TTHs方面的性能，探讨了其在高性能应用中的潜力。
本研究系统地比较了通过超声喷雾涂层和传统旋涂法制备的基于银纳米线（AgNW）的透明薄膜加热器（TTHs）的性能。评估标准包括片电阻率的均匀性和最高加热温度。在9 V偏压下，喷雾涂层加热器的性能更优，温度达到了约173 °C，而旋涂法制备的加热器温度仅为122 °C。这种显著的加热效率差异直接归因于喷雾沉积导电层的更高均匀性。这些发现表明超声喷雾涂层是一种有前景的技术，并为优化高性能TTHs提供了具体的结构指导。
材料
聚维吡咯烷酮360 kDa（PVP）从“Sigma Aldrich”（美国）购买；硝酸银和六水合三氯化铁晶体从“Lenreaktiv”（俄罗斯）购买；乙二醇、异丙醇和丙酮从“Chimmed”（俄罗斯）购买。所有化学品均按原样使用，无需进一步纯化。
AgNWs的合成
银纳米线是通过多元醇法合成的，其中乙二醇（EG）同时作为溶剂和还原剂。
AgNWs的表征
纳米线是通过多元醇法合成的，使用PVP作为封端剂。在此过程中，PVP具有双重作用：它有助于形成高长径比的纳米结构，同时起到分散剂的作用。在合成过程中，PVP选择性地吸附在表面能最低的晶面上，从而引导各向异性的晶体生长沿着特定的晶格平面进行。吸附的PVP层通过空间位阻作用促进了胶体的稳定性。
结论
总之，合成的银纳米线平均直径为83.7 nm，长度为14.6 μm，通过超声喷雾和旋涂技术制备成了薄型透明加热器。研究发现，采用超声喷雾法制备的透明导体的透射率优于旋涂样品，且片电阻率相当。这种改进归因于样品表面更加均匀，没有聚集物。因此，
CRediT作者贡献声明
Victor V. Ivanov：撰写 – 审稿与编辑，监督。
Maksim A. Popov：可视化处理。
Mikhail A. Atlanov：资源获取、实验调查、数据管理。
Alexey A. Efimov：概念设计。
Dmitry A. Labutov：实验调查。
Pavel V. Arsenov：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，方法论设计，概念设计。
Polina S. Mikhailova：可视化处理，验证，数据管理。
Konstantin S. Pilyushenko：初稿撰写，方法论设计，实验调查，概念设计。
资助
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
