基于金属纳米线柔性复合透明电极的构筑及性能研究

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透明电极是光电器件的关键组成部分,广泛应用于信息显示、固体照明、光电转换等领域。随着柔性电子、可穿戴电子、便携式电子技术的发展,对透明电极提出了更高要求。不仅需要优异的光电性能、优越的化学稳定性,而且要求高度柔性,并可低成本大面积制作。目前,广泛使用的透明电极主要是氧化铟锡(ITO)透明导电薄膜,然而由于其脆弱易折,不能满足柔性电子器件任意弯折的需求,由此迫使研究者开发新的透明导电材料来替代ITO。近年来,金属(以银、铜为主)纳米线作为透明导电层,以其良好的光透过性、导电性、耐弯折性得到了研究者及工业界的广泛关注。然而,金属纳米线之间的接触电阻高、容易被氧化,严重限制了其在光电器件中的应用。本文主要针对银、铜纳米线,通过构筑复合透明电极的方法制备兼具高电导、高透过率以及优异空气稳定性的金属纳米线柔性复合透明电极。主要内容及结论如下:(1)采用旋涂法,在低温下制备高性能的柔性Ag NWs/ZnO复合透明电极。首先用还原法合成ZnO纳米颗粒,然后在PET衬底上依次旋涂Ag NWs和ZnO纳米颗粒分散液。通过优化Ag NWs和ZnO的旋涂层数和复合电极的烧结温度,得到最佳性能的Ag NWs/ZnO透明电极(方阻20Ω/sq,透过率87%)。Ag NWs/ZnO透明电极在室温下放置30天后,方阻无明显变化,且能承受300℃高温。结果表明,ZnO的包覆不仅能有效地提高薄膜的光电性能、柔韧性,降低表面粗糙度,还能增强Ag NWs薄膜在室温和高温下的稳定性。(2)采用水热法合成出尺寸均一的Cu NWs,并通过真空抽滤法制备Cu NWs透明电极,然后通过简单的后处理,在室温下制备高质量的Cu NWs柔性透明电极。首先利用硼氢化钠(NaBH4)的还原性除去Cu NWs表面的有机物和氧化物,提高Cu NWs网络的导电性;随后通过包覆疏水的十二硫醇(DT),提高Cu NWs透明电极的稳定性。通过优化NaBH4溶液和DT溶液的处理,得到最佳性能的Cu NWs透明电极,其方阻约为38Ω/sq,透过率约为87%,研究表明,DT的包覆提高了Cu NWs透明电极的化学稳定性和机械柔性。最后测试了基于Cu NWs透明电极加热器的基本性能,该加热器能在5 V的工作电压下,50 s内达到80℃的饱和温度,满足商业除雾、除霜加热器的要求。(3)用真空抽滤和喷涂的方法,在室温下快速制备高导电、优异机械性能和高稳定性的Cu NWs/rGO透明电极。通过简单的NaBH4处理,有效除去Cu NWs表面的有机物和氧化物,同时还原GO,提高复合透明电极的导电性。通过优化NaBH4溶液的浓度、处理时间,以及GO的含量,得到最佳性能的Cu NWs/rGO透明电极(方阻52Ω/sq,透过率83%)。实验结果表明,不管是在室温,还是在60℃或80℃环境下,Cu NWs/rGO透明电极的稳定性都明显优于单独的Cu NWs透明电极;此外,该复合透明电极在向内和向外弯曲10000次后均保持性能基本不变,为Cu NWs在柔性电子产品中的应用奠定了基础。最后研究了Cu NWs/rGO透明电极作为加热器在除水雾中的应用,在8 V电压作用下仅需8 s就将加热器表面的水雾除干净。
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