基于共混聚合物相分离制备柔性透明金属导电薄膜

发布时间：2020-05-20 20:42

【摘要】：透明导电电极作为触摸屏显示、太阳能电池、OLEDs等许多光电器件的基本元件,在科学和工业领域都引起了极大的兴趣。目前在该领域占主导地位的透明导电材料是传统的氧化铟锡(ITO),它具有很好的光电性能,但由于ITO存在供应稀缺、价格昂贵、脆性和稳定性差等缺点,限制了其在下一代柔性光电器件中的应用。近年来,随着纳米材料的研究和进展,许多新兴的透明导电材料,如导电聚合物、碳纳米管、石墨烯、金属纳米线和纳米图案化金属薄膜等,被广泛研究并有望成为传统ITO的替代材料。这些透明导电材料都具有各自独特的性能,但同时也存在一些有待解决的问题。目前,如何简单、低成本地制造表面电阻低、光学透射率高、机械柔性好、稳定性强且可以大规模生产的透明导电材料用于下一代柔性光电器件中仍是富有挑战的难题。在上述的几种透明导电材料中,纳米图案化金属薄膜同时具有良好的透明度、导电性、稳定性和柔韧性,因此具有很大的应用潜力。目前的制造方法通常涉及到常用的微纳米加工技术,如光刻,纳米压印和纳米球阵列等,这些方法制备成本较高,制造的纳米图案化金属薄膜一般具有周期性微纳米结构,当改变观察角度或入射光角度时,会观察到薄膜随角度的颜色变化,这即是周期性结构的光学衍射所带来的明亮的彩虹色现象。这种随角度变化的颜色限制了纳米图案化金属薄膜在需要高质量宽视角显示的光电器件中的应用。为了解决这一问题,我们需要制造具有非周期性图案结构的金属薄膜来消除光学衍射,这可以通过分子自组装来实现。目前文献已经报道的方法包括喷涂单分散胶体颗粒,液滴浇铸胶体纳米粒子的混合物以及在胶体溶液中添加氯化钠等。共混聚合物相分离作为一种常见的自组装技术,还未被报道用于制备无序图案的金属薄膜。实验中选取聚苯基倍半硅氧烷/聚苯乙烯(PPSQ/PS)共混聚合物相分离体系作为研究对象,由于两组分相容性的差异,可以采用简单快捷的旋转涂膜方式使混合体系发生相分离,形成无序分散的PPSQ纳米柱密集分布于PS连续相中。利用这两相对O2等离子体刻蚀选择比的较大差异有选择性地去除PS相,即得到PPSQ无序纳米柱阵列。我们研究了影响相分离形貌的实验因素,包括共混聚合物溶液浓度、组分比例以及旋涂转速。还通过改变PPSQ残余层的刻蚀时间确保图形的顺利传递,同时对形貌进行了修饰。因此,我们可以通过调节上述的实验参数来获得所需的无序纳米柱形貌。基于对PPSQ/PS共混聚合物相分离体系的研究,我们利用PMMA/SiO2/PPSQ纳米柱三层胶结构,结合了刻蚀、镀膜、举离等常用的微纳米加工工艺,发展了一种新型无掩模的无序金属纳米网络的制备技术。该技术将自下而上的自组装技术与自上而下的微纳米加工技术相结合,操作简单、成本低、能实现大面积的制备。金属纳米网络的结构主要决定于共混聚合物相分离的形貌结构,我们通过调节不同的实验参数,成功在不同基底上制备了不同金属种类、厚度、不同平均孔径的无序纳米孔金属薄膜。其中,柔性PET基底上制备的的透明金属导电薄膜表现出良好的导电性和透明度(Rs=41Ω/sq,T=71.9%;Rs=8.9Ω/sq,T=61.5%),同时其无序纳米孔结构消除了光学衍射导致的宏观彩虹效应。此外,金属纳米网络的分辨率高,机械柔性好,稳定性强,可实现大面积制备。这些性能表现使得我们的柔性透明金属导电薄膜有望作为透明导电电极并进一步应用于高质量宽视角显示的柔性光电器件中。
【图文】：

微纳米,高深宽比,工作腔,压印

第一章绪论逡逑压印技术是Ｓ．Ｃｈｏｕ在１９９５年提出的［７］，，原理如图１．１所示，使用具有微纳逡逑米结构的压印模板在机械力的作用下压印到软化的有机高分子材料（压印胶）逡逑上，然后将压印肢固化并与模板分离，从而快速地大批量大面积地等比例复逡逑制了模板的结构，该技术还具有分辨率高、重复性高、成本低、简单易行等逡逑优点。纳米压印技术制备出的图形分辨率很高，由模板本身和压印胶的分辨逡逑率决定，Ｓ．Ｃｈｏｕ在第一次提出概念时就能够制备出分辨率为２５ｎｍ的图形逡逑［７，８］，而目前纳米压印技术的分辨率已经低至５ｎｍ［９］，甚至还可以达到更低的逡逑水平。除了基础的热纳米压印外，之后科学家们还发展了紫外光固化纳米压逡逑印（ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ邋ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ邋ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ

二元相图,二元相图,聚合物溶液,浓度

ＡＧｍ达到小于零的条件是非常困难的，所以绝大多数的共混聚合物是不相容逡逑或部分相容的。这种相容性的差异会使得共混聚合物自发地发生相分离逡逑（ｐｈａｓｅ邋ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ），即相与相分离的现象。我们以图１．３中发生热致相分离逡逑（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ邋ｉｎｄｕｃｅｄ邋ｐｈａｓｅ邋ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ，邋ＴＩＰＳ）时聚合物溶液的二元相图［３２］来逡逑说明相分离的机理。高温状态下溶液保持均勺，而降低温度时体系会发生液逡逑－液相分离，并形成不同的形貌。液－液分相区具体可包括旋节线（ｓｐｉｎｏｄａｌ）逡逑分相区（不相容区，中图为该区域的双连续相形貌）和双节线（ｂｉｎｏｄａｌ）和逡逑旋节线间的成核与生长区域（亚稳区，左图和右图为分别为聚合物富相和聚逡逑合物贫相在该区域的相分离形貌）。逡逑ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ逡逑ｓｏｌｕｔｉｏｎ逡逑１邋ＳＰｉｎ0ｄａｌ逡逑ｉ４邋Ｌ邋＿邋．逦ｂｉｎｏｄａｌ逡逑\(邋Ｆｍｌｓｃｉｂｉｌｌｆｙ逡逑／邋ｐｏｌｙｍｅｒ邋ｃｏｎｃｃｎｔｒａｔｉｏｃｒｖ．逡逑图１．３聚合物溶液的浓度－温度的二元相图［３２丨逡逑６逡逑
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2

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