扫描电镜 | 低介电常数可调 TEMPO 氧化纤维素手抄纸用于高性能印刷电子基板

物联网与 5G 等高频通信技术的快速发展，对低成本、环保且具有低介电性能的射频基板提出了迫切需求，尤其是在 Sub-6 GHz 频段的一次性应用场景，如微医疗设备、物流追踪、智能包装中，基板需兼顾介电稳定性、机械性能、印刷适应性与环境友好性。纤维素作为地球上储量丰富的天然聚合物，具有成本低廉、可降解、处置方式多样的天然优势，成为替代传统石油基聚合物的理想候选 —— 后者虽介电性能优异，但环保性不足，难以支撑一次性应用。

传统纤维素基材料存在显著技术瓶颈：天然纤维素介电常数偏高，商用纸张为追求强度牺牲了孔隙率，介电常数仍达 3.2 左右，且纤维结构固定无法进一步优化。纤维素衍生物虽可通过溶液成膜改善介电性能，但需额外造孔步骤，制备工艺复杂且会降低生物降解性；同时现有纤维素基基板制备要么依赖高成型压力，要么存在重金属残留、介电常数调控困难等问题，难以同时满足低介电（εr 2-3）、良好机械性能、印刷适配性及安全处置的综合要求。

针对上述问题，由武汉理工大学等组成的研究团队利用泽攸科技的ZEM系列台式扫描电镜进行了系统研究，该团队核心创新在于通过 TEMPO 介导氧化增强纤维素纸浆水分散性，经真空过滤与热压干燥制备出介电常数可在超低 k（~2）至低 k（~3）间灵活调控、机械性能媲美商用复印纸、印刷适配性优良且可通过焚烧或再分散安全处置的氧化纤维素手抄纸，为 Sub-6 GHz 频段一次性印刷电子基板提供了低成本环保解决方案。

氧化度调控：纤维结构优化与基材基础性能奠定

为解决传统纤维素基材成型压力高、机械性能与介电性能难以兼顾的问题，研究团队通过 TEMPO 介导氧化技术制备了不同氧化度的纤维素纸浆（TOC-0.25 至 TOC-1.0），并经真空过滤与 1.2 kPa 低压力热压干燥形成手抄纸（TOCP）。借助泽攸科技扫描电子显微镜对 TOCP 的表面与断面形态进行观察，清晰呈现了氧化度对纤维结构的调控作用：低氧化度的 TOCP-0.25 纤维横向尺寸更大，上表面形成丰富孔隙结构。

随着氧化度升高，纤维横向尺寸逐渐减小，纤维间缠结与相互作用增强，促使基材形成更致密的堆叠结构。这种结构优化不仅使 TOCP 的拉伸强度高达 37.0 MPa，媲美商用复印纸的 34.6 MPa，断裂伸长率提升至 7.4%，远超商用纸的 1.6%，还为后续介电性能调控奠定了结构基础。

图 氧化纤维素手抄纸（TOCP）（A）、共混复合 TOCP（B）及堆叠复合 TOCP（C）的过滤与干燥流程简化示意图

图 氧化纤维素手抄纸（TOCP）样品的上表面形貌（A），图中红色虚线和蓝色虚线分别代表 TOCP-0.25 中的大孔和小孔；TOCP 样品的下表面形貌（B）；TOCP 样品的 TEMPO 氧化纤维素（TOC）纤维尺寸分布（C）

孔隙与介电协同：从单一基材到复合结构的性能可调

针对高频通信对低介电基材的精准需求，研究团队重点探究了氧化度与孔隙结构的协同作用对介电性能的影响。通过汞侵入法（MIP）测试发现，TOCP 的孔隙率随氧化度升高从 51.9%（TOCP-0.25）降至 7.7%（TOCP-1.0），对应的 2 MHz 下介电常数从 2.0（超低 k）逐步升高至 3.02（低 k），且所有样品的介电损耗均低于 0.1。

图 软木漂白硫酸盐纸浆（SBKP）与氧化纤维素手抄纸（TOCP）样品的纤维尺寸分布统计结果

图 软木漂白硫酸盐纸浆（SBKP）与氧化纤维素手抄纸（TOCP）样品在不同温度热氧化处理后的颜色对比，及纸浆与 TOCP-1.0 热氧化样品在 1800−1600 cm⁻¹ 区间的 FTIR 拟合曲线（A）；TOCP 样品的柔韧性与拉伸性能（B）；TOCP/EC 样品的疏水改性流程、FTIR 光谱及水接触角（C）

为进一步拓展性能适配范围，团队通过混合不同氧化度 TOC或堆叠滤饼构建复合结构，实现了介电常数在 2.0-3.0 区间的灵活调控，其中堆叠结构的介电性能可通过串联电容模型精准预测。此外经乙基纤维素（EC）改性后，TOCP/EC 样品的介电性能保持稳定，同时具备约 70° 的静态水接触角，满足实际应用中的防水需求。

应用适配与环保闭环：印刷性能优化与安全处置实现

为推动基材在 Sub-6 GHz 印刷电子中的实际应用，研究团队聚焦印刷适配性与环保处置两大核心需求。泽攸科技扫描电子显微镜观察证实，TOCP底部表面因真空过滤过程中与 PTFE 滤膜紧密贴合，形成了致密光滑的结构，有效减少了印刷时的油墨渗漏，提升了图案精度。通过丝网印刷制备的图形片电阻低于 15 mΩ/sq，满足射频应用的导电需求。而 EC 改性进一步密封了基材表面孔隙，避免了油墨渗透对介电性能的影响。在处置方式上，该手抄纸可通过焚烧实现无害化处理，也可通过再分散分离银图案与纤维素，实现资源回收，形成 “制备 - 应用 - 处置" 的环保闭环。

图 TOCP-0.25、TOCP-0.5、TOCP-0.75、TOCP-1.0 及 TOCP-1.0/EC 样品的印刷图案数码照片（A），印刷图案包含星形单元、圆形单元、方形单元及谢尔宾斯基地毯单元；TOCP/EC 样品的焚烧处理流程（B）；TOCP/EC 样品的再分散处理流程（C）

泽攸科技ZEM系列扫描电镜是一款集成度高、便携性强且经济实用的科研设备。它具备快速抽真空、高成像速度、多样的信号探测器选择，适用于形貌观测和成分分析，还能适配多种原位实验需求。该设备对安装环境要求低，不挑楼层，操作简单，非专业人士也能快速上手，能够更广泛地应用于新材料研发、生命科学、失效分析、工业质检等多个领域，为广大科研院所和企业用户提供了一套兼具高性能与高性价比的强大微观表征解决方案。

图 泽攸科技ZEM系列扫描电镜

泽攸科技专注于扫描电子显微镜、原位测量系统、台阶仪、纳米位移台、光栅尺、探针台、电子束光刻机、二维材料转移台、超高真空组件及配件、压电物镜、等离子体化学气相沉积系统等精密设备的研究，满足国家在科学精密仪器领域的诸多空白。泽攸科技以自主知识产权的技术为核心，依托一支专业的研发与生产团队，经过二十多年的技术积累，在半导体加工设备和材料表征测量领域已属于国内头部。公司承担和参与了国家重点研发计划、国家重大科研装备研制项目等多个重量级科研项目，多次实现国内材料表征测量设备的“国产替代"，相关产品具有较好的国际声誉、产品检测数据被国际盛名期刊采纳。