面向溶液工艺器件的光电功能纳米材料合成与性能调控

发布时间：2019-08-11 16:31

【摘要】：光电器件与我们的日常生活密切相关,在电脑、手机、家用电器等领域具有广泛的应用。随着社会的发展,常规的光电器件已经不能满足社会的需求,需要对其进行更新和升级。目前,溶液工艺制备的纳米材料光电器件不但具有组装器件灵活性高、成本低等特点,而且与当前社会发展低消耗相一致。另外,溶液工艺还能够用来制备大面积、柔性、可伸缩的光电器件,满足在电子皮肤、智能窗、机器人、柔性显示等特定场合的需求。本文主要集中于纳米材料的可控合成与光电性能调控,并通过溶液工艺组装成各种光电器件。主要创新研究成果如下:1)透明导电氧化物(TCO)纳米晶墨水基透明电极。针对目前溶液工艺制备(如热注入法)透明导电氧化物纳米晶具有对注入过程非常敏感,不易控制和量产化等局限,我们提出了简单、易操作、通用、易扩大生产的一锅方法制备TCO纳米晶。所制备的纳米晶能够分散在各种有机溶剂中形成高稳定性的墨水,稳定性可达1年。制备过程中采用了一种廉价的长烷链醇(十二醇),而不是热注入法常用昂贵的1,2-十六烷二醇。此制备方法具有普适性,不仅能够用来制备TCO纳米晶,而且还可以用来制备Fe3O4、Co O、Mn O、Cd O等纳米晶。TCO纳米晶因具有形貌均匀、尺寸分布窄、有效掺杂、胶体稳定性好等特点,从而可以作为墨水制备平滑、无裂纹、高透明和导电的薄膜。尤其是铟锡氧化物(ITO)纳米晶薄膜展现出87%的透过率和110Ω/sq的方块电阻,在各种溶液工艺光电器件中具有潜在的应用价值。通过调控参数,合成出不同形貌(球形、近三角状、三臂枝化状、四臂枝化状)的ITO纳米晶,并且展现出不同的局域表面等离子体共振(LSPR)性能,获得了形貌依赖的LSPR。单分散的球形颗粒在波长为1606 nm处出现一个窄的LSPR峰。随着各向异性生长,纳米晶在长波长范围出现了第二个峰,这主要是由于纳米晶核和臂端的多重模式造成的。ITO纳米晶形状依赖的LSPR有助于加深对TCO纳米晶LSPR的理解和认识,拓展其在表面等离子体领域中的应用。2)高稳定性的Cu@Cu-Ni纳米线弹性体复合材料电极。采用一锅加热Cu Cl2和Ni(acac)2的油胺溶液制备Cu@Cu-Ni纳米线。纳米线具有高质量的结晶壳层、清晰的界面、光滑的表面等特点。通过抽滤的方法获得Cu纳米线薄膜,进而转移到PDMS衬底上,形成纳米线弹性体。与商业化的柔性PET/ITO衬底相比,纳米线弹性体展现出更优异的光电性能和稳定性,如在透过率为80%时,弹性体的方块电阻为62.4Ω/sq,同时又具有抗氧化能力,抗弯曲、拉伸、扭转能力。通过估算,Cu@Cu-Ni纳米线弹性体复合材料的寿命约为1200天,能够满足各种产业化的需求。在各种弯曲(扭转、拉伸等)情况下,Cu@Cu-Ni纳米线弹性体复合材料电极,能够很好地点亮OLED器件。另外,采用全溶液工艺成功制备了全纳米线电极的柔性PLED(Cu纳米线/PEDOT:PSS/Polymer/PFN/Ag纳米线),器件展现出非常好的柔韧性。由于Cu的功函数为4.7 e V,比Ag纳米线更适合作为PLED等光电器件的阳极。3)低成本溶液工艺Ag2S纳米晶墨水的柔性阻变存储器。首先,通过简单的方法制备了尺寸约为10 nm的单分散Ag2S纳米晶。纳米晶能够分散在各种有机溶剂中,形成稳定长达1年的墨水。纳米晶具有很好的成膜性,可以通过滴涂、旋涂、液-液界面等溶液工艺组装成高质量的纳米晶薄膜。随后组装了PET/ITO/Ag2S:PMMA/Ag柔性阻变存储器。该器件表现出低的SET/RESET电压(+1.03 V/-1.06 V)、良好的可柔性、优异的数据保持性(104 s)和耐疲劳特性(100次)。溶液工艺的Ag2S纳米晶阻变存储器与产业化的喷墨印刷、roll-to-roll技术相兼容,将具有一定的实际应用价值。4)溶液工艺高效可转移的Zn O纳米线-on-纳米片场发射体。通过化学气相沉积法(CVD)在微尺度Zn O纳米片衬底的中心高选择性地外延生长了单根Zn O纳米线。纳米线与纳米片之间陡峭的高质量界面,有利于提高其场发射性能。同时,纳米结构本身自由站立的特性,使其在转移过程中能够保持很好的阵列和垂直性。通过滴涂纳米结构Zn O纳米线外延生长在纳米片上(WOP)的分散液,获得转移的Zn O纳米结构场发射体,转移后的Zn O WOP纳米结构保持了更好的场发射性能,具有最低的起始电场4.8 V/μm,最低的阈值电场8.1 V/μm,最高的发射电流密度7.8 m A/cm2,最高的场增强因子1004。这种新型Zn O WOP纳米结构在可转移或柔性光电子器件等方面具有潜在的应用价值。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1

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