三維襯底表面銀納米線基透明導(dǎo)電薄膜的制備與性能研究.pdf

1、當(dāng)前，透明導(dǎo)電薄膜在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中扮演著非常重要的角色，它廣泛應(yīng)用于觸摸板，液晶顯示器，太陽能電池，有機(jī)發(fā)光二極管等光電器件上。商用透明導(dǎo)電薄膜材料是銦錫氧化物(ITO)，其具有良好的透光和導(dǎo)電性能。然而，銦屬于稀有金屬，同時ITO作為一種陶瓷材料具有天然的結(jié)構(gòu)脆性，這局限了ITO在未來柔性光電子器件中的應(yīng)用。所以，選擇新材料取代ITO就顯得非常迫切。ITO的潛在替代材料包括碳納米管、石墨烯、導(dǎo)電聚合物以及金屬納米線等，其中金屬納米線以

2、光電性能和柔性優(yōu)異成為最佳候選材料之一。在金屬納米線網(wǎng)絡(luò)薄膜中，以銀納米線(AgNWs)的材料工藝最為成熟，因?yàn)殂y納米線網(wǎng)絡(luò)薄膜具有非常優(yōu)異的透光導(dǎo)電性能同時具備良好的機(jī)械柔韌性。因此具有取代ITO材料的應(yīng)用潛力。
　　光電子器件為了增強(qiáng)光利用率提高性能，器件表面逐漸由二維平面向三維結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)發(fā)展，例如硅納米線陣列太陽能電池、硅基徑向微米柱陣列太陽能電池、InGaAs基納米線太陽能電池、核殼陣列光探測器等。透明導(dǎo)電薄膜是光電子器件

3、中非常重要的組成部分，為了完全適應(yīng)新結(jié)構(gòu)器件的要求，有必要開展三維襯底上透明導(dǎo)電薄膜的制備與性能研究。應(yīng)用新型透明導(dǎo)電薄膜后，可進(jìn)一步改善光電子器件的性能，例如，在三維表面太陽能電池上引入三維結(jié)構(gòu)的透明導(dǎo)電薄膜能夠更充分的收集載流子，改善電池光電轉(zhuǎn)化效率。本論文就如何制備出高性能三維襯底表面銀納米線基透明導(dǎo)電薄膜進(jìn)行了兩部分研究工作。
　　第一，通過三步驟在三維非常規(guī)襯底表面制備得到了銀納米線基透明導(dǎo)電薄膜：首先，在透明玻璃、PE

4、T襯底上利用玻璃刀或刀片進(jìn)行劃痕處理，獲得三維結(jié)構(gòu)化表面襯底；接著，以AgNWs分散液為原料，在三維襯底上旋涂沉積AgNWs網(wǎng)絡(luò)薄膜，之后再旋涂一層ZnO前驅(qū)物保護(hù)層，防止AgNWs在空氣中氧化，同時增強(qiáng)AgNWs在襯底上的粘附力；最后，在惰性氣體氣氛中對AgNWs網(wǎng)絡(luò)薄膜進(jìn)行熱處理，利用熱焊接降低AgNWs之間的接觸電阻，同時讓ZnO前驅(qū)物分解生成均勻的ZnO薄膜，提高AgNWs網(wǎng)絡(luò)薄膜的透光導(dǎo)電性能以及穩(wěn)定性。在三維襯底上制備得到的

5、AgNWs/ZnO透明導(dǎo)電薄膜獲得了88％的可見光透光率和10Ω/□左右的方塊電阻，將該薄膜在80 oC高溫環(huán)境下連續(xù)放置一個月以上，薄膜性能不發(fā)生衰減。為了驗(yàn)證薄膜的粘附性，對三維襯底上的AgNWs/ZnO薄膜進(jìn)行透明膠帶粘貼十次以上，發(fā)現(xiàn)薄膜完好無損，性能幾乎不受影響。對PET柔性基底上的AgNWs/ZnO透明導(dǎo)電薄膜進(jìn)行了柔韌性測試，發(fā)現(xiàn)彎曲千次以上薄膜電阻幾乎沒有變化，說明該透明電極的彎曲柔韌性非常好。因此，通過我們的技術(shù)工藝獲

6、得的三維襯底表面上AgNWs/ZnO透明導(dǎo)電薄膜，在透光、導(dǎo)電、穩(wěn)定性和柔韌性方面，完全可以與傳統(tǒng)二維ITO透明導(dǎo)電薄膜性能相匹配，甚至更優(yōu)。
　　第二，上述實(shí)驗(yàn)中，由于三維襯底表面結(jié)構(gòu)不規(guī)則且不具備彈性，所以接下來我們選擇用光刻工藝制備三維規(guī)則結(jié)構(gòu)化表面襯底，然后通過PDMS轉(zhuǎn)移得到三維襯底表面銀納米線彈性透明導(dǎo)電薄膜。制備工藝過程如下：首先，使用SU8光刻膠，通過光刻工藝在Si襯底上制備出不同尺寸不同規(guī)則結(jié)構(gòu)的三維襯底，包括條

7、、圓柱和方柱；然后在上面旋涂AgNWs分散液，獲得三維襯底表面AgNWs網(wǎng)絡(luò)薄膜；最后將PDMS滴涂在沉積了AgNWs網(wǎng)絡(luò)薄膜的三維襯底上，固化后剝離形成的三維襯底AgNWs/PDMS彈性透明導(dǎo)電薄膜。通過SEM分析發(fā)現(xiàn)AgNWs在不同尺寸和不同形貌的三維結(jié)構(gòu)襯底上可以均勻分布，特別是在棱角等特殊區(qū)域都能均勻分布。所得透明導(dǎo)電薄膜透光率為90%、方塊電阻為26Ω/□。在柔韌性測試方面，將三維襯底AgNWs/PDMS彈性透明導(dǎo)電薄膜在5