掃描電鏡 | 低介電常數可調 TEMPO 氧化纖維素手抄紙用于高性能印刷電子基板

物聯網與 5G 等高頻通信技術的快速發展，對低成本、環保且具有低介電性能的射頻基板提出了迫切需求，尤其是在 Sub-6 GHz 頻段的一次性應用場景，如微醫療設備、物流追蹤、智能包裝中，基板需兼顧介電穩定性、機械性能、印刷適應性與環境友好性。纖維素作為地球上儲量豐富的天然聚合物，具有成本低廉、可降解、處置方式多樣的天然優勢，成為替代傳統石油基聚合物的理想候選 —— 后者雖介電性能優異，但環保性不足，難以支撐一次性應用。

傳統纖維素基材料存在顯著技術瓶頸：天然纖維素介電常數偏高，商用紙張為追求強度犧牲了孔隙率，介電常數仍達 3.2 左右，且纖維結構固定無法進一步優化。纖維素衍生物雖可通過溶液成膜改善介電性能，但需額外造孔步驟，制備工藝復雜且會降低生物降解性；同時現有纖維素基基板制備要么依賴高成型壓力，要么存在重金屬殘留、介電常數調控困難等問題，難以同時滿足低介電（εr 2-3）、良好機械性能、印刷適配性及安全處置的綜合要求。

針對上述問題，由武漢理工大學等組成的研究團隊利用澤攸科技的ZEM系列臺式掃描電鏡進行了系統研究，該團隊核心創新在于通過 TEMPO 介導氧化增強纖維素紙漿水分散性，經真空過濾與熱壓干燥制備出介電常數可在超低 k（~2）至低 k（~3）間靈活調控、機械性能媲美商用復印紙、印刷適配性優良且可通過焚燒或再分散安全處置的氧化纖維素手抄紙，為 Sub-6 GHz 頻段一次性印刷電子基板提供了低成本環保解決方案。

氧化度調控：纖維結構優化與基材基礎性能奠定

為解決傳統纖維素基材成型壓力高、機械性能與介電性能難以兼顧的問題，研究團隊通過 TEMPO 介導氧化技術制備了不同氧化度的纖維素紙漿（TOC-0.25 至 TOC-1.0），并經真空過濾與 1.2 kPa 低壓力熱壓干燥形成手抄紙（TOCP）。借助澤攸科技掃描電子顯微鏡對 TOCP 的表面與斷面形態進行觀察，清晰呈現了氧化度對纖維結構的調控作用：低氧化度的 TOCP-0.25 纖維橫向尺寸更大，上表面形成豐富孔隙結構。

隨著氧化度升高，纖維橫向尺寸逐漸減小，纖維間纏結與相互作用增強，促使基材形成更致密的堆疊結構。這種結構優化不僅使 TOCP 的拉伸強度高達 37.0 MPa，媲美商用復印紙的 34.6 MPa，斷裂伸長率提升至 7.4%，遠超商用紙的 1.6%，還為后續介電性能調控奠定了結構基礎。

圖 氧化纖維素手抄紙（TOCP）（A）、共混復合 TOCP（B）及堆疊復合 TOCP（C）的過濾與干燥流程簡化示意圖

圖 氧化纖維素手抄紙（TOCP）樣品的上表面形貌（A），圖中紅色虛線和藍色虛線分別代表 TOCP-0.25 中的大孔和小孔；TOCP 樣品的下表面形貌（B）；TOCP 樣品的 TEMPO 氧化纖維素（TOC）纖維尺寸分布（C）

孔隙與介電協同：從單一基材到復合結構的性能可調

針對高頻通信對低介電基材的精準需求，研究團隊重點探究了氧化度與孔隙結構的協同作用對介電性能的影響。通過汞侵入法（MIP）測試發現，TOCP 的孔隙率隨氧化度升高從 51.9%（TOCP-0.25）降至 7.7%（TOCP-1.0），對應的 2 MHz 下介電常數從 2.0（超低 k）逐步升高至 3.02（低 k），且所有樣品的介電損耗均低于 0.1。

圖 軟木漂白硫酸鹽紙漿（SBKP）與氧化纖維素手抄紙（TOCP）樣品的纖維尺寸分布統計結果

圖 軟木漂白硫酸鹽紙漿（SBKP）與氧化纖維素手抄紙（TOCP）樣品在不同溫度熱氧化處理后的顏色對比，及紙漿與 TOCP-1.0 熱氧化樣品在 1800?1600 cm?1 區間的 FTIR 擬合曲線（A）；TOCP 樣品的柔韌性與拉伸性能（B）；TOCP/EC 樣品的疏水改性流程、FTIR 光譜及水接觸角（C）

為進一步拓展性能適配范圍，團隊通過混合不同氧化度 TOC或堆疊濾餅構建復合結構，實現了介電常數在 2.0-3.0 區間的靈活調控，其中堆疊結構的介電性能可通過串聯電容模型精準預測。此外經乙基纖維素（EC）改性后，TOCP/EC 樣品的介電性能保持穩定，同時具備約 70° 的靜態水接觸角，滿足實際應用中的防水需求。

應用適配與環保閉環：印刷性能優化與安全處置實現

為推動基材在 Sub-6 GHz 印刷電子中的實際應用，研究團隊聚焦印刷適配性與環保處置兩大核心需求。澤攸科技掃描電子顯微鏡觀察證實，TOCP底部表面因真空過濾過程中與 PTFE 濾膜緊密貼合，形成了致密光滑的結構，有效減少了印刷時的油墨滲漏，提升了圖案精度。通過絲網印刷制備的圖形片電阻低于 15 mΩ/sq，滿足射頻應用的導電需求。而 EC 改性進一步密封了基材表面孔隙，避免了油墨滲透對介電性能的影響。在處置方式上，該手抄紙可通過焚燒實現無害化處理，也可通過再分散分離銀圖案與纖維素，實現資源回收，形成 “制備 - 應用 - 處置" 的環保閉環。

圖 TOCP-0.25、TOCP-0.5、TOCP-0.75、TOCP-1.0 及 TOCP-1.0/EC 樣品的印刷圖案數碼照片（A），印刷圖案包含星形單元、圓形單元、方形單元及謝爾賓斯基地毯單元；TOCP/EC 樣品的焚燒處理流程（B）；TOCP/EC 樣品的再分散處理流程（C）

澤攸科技ZEM系列掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強且經濟實用的科研設備。它具備快速抽真空、高成像速度、多樣的信號探測器選擇，適用于形貌觀測和成分分析，還能適配多種原位實驗需求。該設備對安裝環境要求低，不挑樓層，操作簡單，非專業人士也能快速上手，能夠更廣泛地應用于新材料研發、生命科學、失效分析、工業質檢等多個領域，為廣大科研院所和企業用戶提供了一套兼具高性能與高性價比的強大微觀表征解決方案。

圖 澤攸科技ZEM系列掃描電鏡

澤攸科技專注于掃描電子顯微鏡、原位測量系統、臺階儀、納米位移臺、光柵尺、探針臺、電子束光刻機、二維材料轉移臺、超高真空組件及配件、壓電物鏡、等離子體化學氣相沉積系統等精密設備的研究，滿足國家在科學精密儀器領域的諸多空白。澤攸科技以自主知識產權的技術為核心，依托一支專業的研發與生產團隊，經過二十多年的技術積累，在半導體加工設備和材料表征測量領域已屬于國內頭部。公司承擔和參與了國家重點研發計劃、國家重大科研裝備研制項目等多個重量級科研項目，多次實現國內材料表征測量設備的“國產替代"，相關產品具有較好的國際聲譽、產品檢測數據被國際盛名期刊采納。