基于碳纳米材料的柔性透明导电薄膜研究进展

随着电子器件的便携化发展,柔性电子器件越来越引起人们的关注.透明导电薄膜同时具有良好的导电性和光学透过性,已作为电极被广泛应用于光电功能器件领域.然而,目前普遍使用的透明导电材料氧化铟锡(ITO)由于含有储量有限的铟元素而存在成本高的问题,并且由于氧化物本身的脆性,其所制薄膜的柔性也不理想,并不能完全满足目前柔性电子器件的发展要求.因而,对于可替代ITO的其他廉价、可大量制备、具有优异性能的柔性透明导电薄膜的研究近年来受到研究者的广泛关注.碳纳米材料因同时具备高的电子传输率、透光率以及良好的机械柔性可以满足目前柔性电子器件的应用需求,此外,碳纳米材料更具备来源广泛、制备方式灵活多样等特有优势,可以降低材料和生产成本,因而更具有实用价值.本文简要综述了近几年基于碳纳米材料(以碳纳米管和石墨烯为主)的柔性透明导电膜的研究工作,结合材料制备和性能调控以及薄膜制备(特别是连续化制备)的方法,阐述了该领域最近的研究成果及应用,最后简要讨论了基于碳纳米材料的柔性透明导电薄膜目前存在的问题及可能的发展方向.     

有机发光二极管(OLED)顶发射器件的透明电极

有机发光二极管(OLED)已经成功应用于手机显示屏(小面积)及电视显示屏(大面积).对于小面积显示屏来说,由于显示面积的限制,大多采用顶发射结构.顶发射OLED(TEOLED)由于其更大的开口率,相较传统底发射器件而言,可在相同电流密度下获得更高的发光功率,但是顶发射器件中最关键的就是透明电极的制备.概括起来,根据制作方法和材料来区分,TEOLED透明电极主要分为以下几类,即(1)透明导电氧化物电极;(2)超薄复合金属电极;(3)电介质金属电介质(DMD)复合电极;(4)纳米材料电极等.一般氧化物在可见光范围光透过率很好,但是热蒸发温度很高,需要用溅射的方法来制作,从而对有机层造成损伤;复合金属电极可以用热蒸镀方式制作,方法简单易行,目前被大部分商用产品采用,但是透明度较低;纳米材料的透过率很高,且可以制成柔性电极,但是由于需要溶液加工处理,较易破坏有机层.DMD复合电极既可以具有高透光率,而且可以采用热蒸镀方法成膜,有望成为未来OLED顶发射透明电极的首选.本文对几种透明电极的发展现状和优缺点进行了综述,提出了透明电极今后可能的发展方向.     

纳晶敏化太阳能电池中铂修饰对电极的一种新制法

采用铂胶体制备、L-B膜及自组装技术的结合, 在导电玻璃上制备出铂修饰电极. 电极的载铂量低, 对碘的还原反应催化活性高, 其催化性能高于纳晶敏化太阳能电池中常用的铂对电极. 这种高的催化性能归因于该电极表面均匀分布的纳米铂颗粒结构.     

基于单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印

现有微纳3D打印在实现多材料、宏/微跨尺度等方面面临诸多挑战性难题.本文提出了一种基于单平板电极电场驱动喷射沉积微纳3D打印新工艺,它不再将打印喷嘴作为电极,只需平板电极与高压电源正极(或负极)连接.通过理论分析和数值模拟,揭示了其成形机理;通过系统实验研究,验证了喷嘴(导电和非导电)、基材(导电和非导电)、打印材料(导电和非导电)任意组合稳定打印的有效性;进一步通过3个典型实验案例:线宽1.139μm的高宽比46.8:1微"墙"结构、高性能透明电极、精准可控的三维生物支架,证明了该方法在高分辨率、多材料和宏/微跨尺度打印方面独特的技术优势.该方法为微纳3D打印提供了一种低成本、高普适性的全新解决方案.     

银纳米线网络的高有序排列及其图案化设计

银纳米线的有序排列及图案化,是制备柔性触控感知单元结构的关键步骤,也是银纳米线透明导电薄膜实际应用的最具挑战性的难题之一.传统的银纳米线有序化具有涂布速度慢、流体动力小、有序化程度不高等缺点.本研究使用0.4 wt%超细银纳米线(直径20 nm)的乙醇溶液在快涂布速度下(60 mm/s)制备了有序化程度高达0.82的银纳米线透明导电薄膜.银纳米线网络的超高有序化归因于毛细管作用力和流体动力的大幅度增加.在有序化银纳米线网络结构的基础上,利用常规光刻法和湿法刻蚀制备导电通道,通道宽度范围为20～500μm,精度高达99%以上,为其在可拉伸电极中的实际应用提供了参考.     

多层复合透明导电薄膜研究进展

透明导电薄膜(TCF)兼具良好的导电性和透光性,已作为电极被广泛应用于光电器件领域.目前普遍使用的透明电极主要是铟锡氧化物(ITO)和掺铝氧化锌等透明导电氧化物(TCO)薄膜,但由于ITO的生产需要稀缺原材料铟,而其他TCO薄膜的导电性和可见光透明性尚需提高,并且由于氧化物材料固有的脆性,TCO薄膜的柔性较差,不能完全满足当前柔性电子器件的发展需求.因而,对于具有优异性能的无铟、柔性TCF的研究近年来受到研究者的广泛关注.基于介质/金属/介质结构的多层复合TCF同时具有高的电导率、透光性以及良好的机械柔性,可以满足目前柔性电子器件的应用需求,而且其还具有功函数可通过选择介质层材料调节、可利用连续的卷对卷技术室温下在廉价塑料衬底上沉积等独特优势,因而更具实用价值.本文简要综述了近几年基于介质/金属/介质结构的多层复合TCF的研究工作,首先分析了其透光率和面电阻对各层材料种类及厚度的依赖关系,然后介绍了多层复合TCF的结构类型,接着讨论了改善其综合光电性能的技术,最后分析了其在光电器件领域应用时应考虑的其他重要性质.     

热液法低温制备纳晶TiO2多孔薄膜电极

用钛酸四丁酯前驱体与纳晶TiO₂颗粒组成的浆液通过简单便捷的热液法在低温下成功制备了纳晶TiO₂多孔薄膜电极. 钛酸四丁酯水解生成的锐钛矿型TiO₂将纳晶TiO₂颗粒之间以及颗粒与导电基底之间牢固连接起来, 形成高度多孔、机械性能稳定的纳晶多孔薄膜. 用导电玻璃及柔性导电基底上制备的这种纳晶多孔薄膜电极组成染料敏化太阳能电池, 在100 mW/cm²光照条件下, 光电转换效率分别达到4.8%和1.9%.     

基于电场驱动喷射微3D打印和辊轮辅助热压印制造嵌入式金属网格柔性透明导电薄膜

针对现有技术难以实现高性能嵌入式金属网格柔性透明导电薄膜低成本、快速制造的难题,提出了一种基于电场驱动喷射微3D打印和辊轮辅助热压印制造嵌入式金属网格柔性透明导电薄膜新方法,阐述了结合电场驱动喷射微3D打印和辊轮辅助热压印工艺制备透明导电薄膜的基本原理和工艺流程;通过实验揭示了主要工艺参数(打印电压、打印速度、打印气压、压印温度和压印力)对制备嵌入式金属网格柔性透明导电薄膜精度和质量的影响及规律;利用课题组自主研发的电场驱动喷射沉积微纳3D打印机和复合纳米压印光刻机,并结合优化的工艺参数,实现了图案面积70 mm×70 mm、线宽20μm、周期1000μm的嵌入式正方形金属网格柔性透明导电薄膜制造,其方阻为3.62Ω/sq,可见光波段550 nm处的透过率为92.3%,表面粗糙度值为18.81 nm,金属网格与基材的接触等级可达5B, 1000次弯折实验后方阻变化率小于8%.     

高导电镀银织物的制备及其在电致变色中的应用

导电织物因在智能服装、电极材料和柔性传感器等领域具有广泛的应用而备受关注.本研究采用多酚修饰法,利用单宁酸改性和化学镀银相结合的方法,制备了高导电的涤纶镀银织物(方阻为9.28 mΩ/□).与传统的织物镀银工艺相比,该方法省去了敏化活化等步骤,具有工艺简单、节省成本和导电性能优异等特点.以高导电镀银织物作为电致变色器件的阴极,喷涂聚苯胺的ITO-PET薄膜为阳极组成电致变色织物器件,该聚苯胺电致变色织物器件具有丰富的色彩变化(黄绿色-深绿色-蓝黑色)、优异的循环稳定性(伏安循环3000次)、较低的变色电压(–0.8 V/1.8 V)和较快的变色速度(4.3 s/6.4 s)以及柔性轻质的特点,可广泛应用于军事伪装服、野外考察服、布型显示器以及民用时尚变色服装等领域.     

一种可为锂二次电池提供过热保护的正温度敏感系数电极

通过将导电碳黑(carbon black,CB)Super P均匀地分散到聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate),PMMA)的聚合物基质中,发展出了一种具有正温度敏感系数(positive temperature coefficient,PTC)特征的CB-PMMA复合材料,并采用该复合材料为铝箔基体的表面涂层,制备出具有三明治结构的Al/PTC/LiCoO2阴极.通过循环伏安扫描、倍率充放电和交流阻抗等方法考察了PTC复合电极在常温和高温下的电化学性能.实验结果表明,PTC-LiCoO2电极在常温下具有高的充放电比容量、良好的倍率性能和循环稳定性,PTC涂层对LiCoO2电极的正常充放电没有产生明显的不利影响.但在80~120℃的高温下,PTC涂层因电阻急剧增大约2个数量级,限制了电极活性层与集流体之间的电流传输,导致电极容量的急剧下降,表现出良好的自激发热阻断效果,从而可以防止电池因热失控而引发的安全性问题.