新型金属网格透明导电膜及应用研究

发布时间：2020-06-15 00:07

【摘要】：透明导电膜由于具有高导电性和高透光率,是光电领域中不可或缺的重要工业基础材料。目前光电子器件逐渐向大尺寸、轻薄、柔性、可拉伸、低成本方向发展,对高性能的柔性及可拉伸透明导电膜的需求增长迅速。当前广泛使用的透明导电材料主要为ITO膜或玻璃,但其方阻较高、脆性结构限制了其在柔性光电器件中的使用;而新发展的基于导电聚合物、碳材料和金属纳米材料的柔性透明导电膜,都存在导电性和透过率相互制约的问题,在85%以上的透过率下方阻过高而满足不了应用需求。基于铜箔黄光制程蚀刻的金属网格透明导电膜由于高导高透、可实现柔性和拉伸性等优点受到了广泛关注,但成本较高,蚀刻工艺造成的污染及高的成本也不容忽视。本人所在的研究团队自主研发了印刷增材制造的嵌入式银网格透明导电膜,能实现高导高透,并透过率和导电性可以独立调节,已成功应用在触摸屏上并产业化。本论文在该技术基础上,研究开发低成本、高性能、高深宽比和可拉伸的金属网格透明导电膜,并在柔性电子方面展开深入研究:1、透明导电电极的表面粗糙度对光电器件的性能起着至关重要的作用。针对现有的金属网格透明导电膜表面不平整,应用于光电器件中存在短路现象等问题,本论文基于电镀和研磨技术,首次开发了粗糙度低至0.17 nm、表面光滑且平整的银基复合金属网格透明电极。通过性能表征,银基复合金属网格具有优异的光电性能、抗绕折性和环境稳定性等,在透过率88%时,方阻为2.1 Ω/□。采用该金属网格制备了量子点发光器件和钙钛矿太阳能电池,实现了优异的器件性能,并解决了光电器件中透明电极导电性不足的问题。2、针对银材料成本高和热烧结时间长等问题,基于毫秒闪灯烧结技术开发出铜纳米颗粒金属网格透明导电膜,进而发展铜锡复合金属钠米颗粒金属网格透明导电膜,减少闪灯烧结能量和提高透明导电薄膜质量。铜纳米颗粒中加入低熔点锡纳米颗粒,一方面可以使得烧结能量降低21%;另一方面,低熔点的锡纳米颗粒烧结时容易熔化,可以有效地把铜纳米颗粒熔合在一起,形成导电通路,且铜锡复合钠米颗粒金属网格展现更优异的附着力和薄膜质量。3、针对现已报道的金属网格透明导电膜存在深宽比和分辨率低、且光电性能有限等缺点,不能满足高精密电子电路实际应用需求。本文基于增材制造技术,开发了2:1高深宽比、4μ叫窄金属线宽的铜网格透明导电膜。金属铜完全限制于高深宽比的凹槽中,在不改变光透过率情况下,可实现高导电性,最终获得0.03Ω/口的方阻和86%的透过率,FOM值高达80000,光电性能达到世界领先水平,实现了透过率和导电性独立可调的性能。采用该铜网格制备了电加热膜,实现了加热效率高、稳定性好和加热均匀等特性;同时应用于透明电磁屏蔽膜中,在300 MHz-18 GHz全频段范围内,屏蔽效果已超过40 dB。4、随着可穿戴电子器件的发展,可拉伸透明电极已被广泛应用。本文结合电镀和金属网格剥离技术,实现了一维和二维的可拉伸透明电极的制备,并从理论和实验方面详细研究了透明敷料、PDMS和ecoflex衬底对拉伸性能的影响,并探究其拉伸机理。同时研究了基于不同可拉伸结构的金属网格电极的性能:可获得0.12 Ω/□的方块电阻和82%的透过率;对于具有大振幅的Z字形可拉伸结构拉伸到150%时,电阻基本保持不变,展现了优异的拉伸性能。使用该可拉伸透明导电膜于透明加热敷料中,可精准控制加热温度,且加热稳定性好和加热效率高等特性;并用于小鼠表皮肿瘤治疗中,为透明加热敷料在人体理疗方面的应用展示了很好的示范作用。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2
【图文】：

石墨,碳材料结构,碳材料,二维材料

为０．３５邋ｎｍ［５８］，其他维度的碳材料都是以石墨烯为基准材料构建，如石墨烯翘曲逡逑形成零维富勒烯、卷曲为管状形成一维的碳纳米管、或堆叠形成三维的石墨［￥５９］，逡逑如图１．３所示。逡逑＾Ｖ＊Ｖ＊－ｖａ＊＇ｆ＊＊逡逑，－、－逦？广－ｖ邋N＾邋￣邋＾逦／邋＇邋＇■邋？逡逑＾邋ｗ．＊＊＂－分逦ｆ邋ｆ逦Ｔ邋＾邋＾邋＾逦＾逦＾邋＾邋＾邋Ｙ邋＾逡逑，．ｙ邋NB，ＷNB－．邋Ｓ？．气，－夂，＊＇４－－逦人．广．产－逡逑，％邋ｍ逡逑？逦y敏逡逑图１．３单层石墨烯及以石墨烯为基材的其他碳材料结构图：石墨烯是一种适用于所有其他逡逑维度碳材料的二维材料，它可以包裹成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管，或者堆成三维逡逑的石墨［５９］。逡逑６逡逑

透过率曲线,电子显微镜,图片,透明导电膜

５邋５０逦－Ｖ－邋ＡｇＮＷｓ邋ｏｎ邋ＰＥＴ逡逑图１．４邋Ｚｅｎｇ等研宄人员＾制备的银纳米线透明导电膜：（ａ瓶纳米线扫描电子显微镜图逡逑片，（ｂ）方阻和透过率曲线图。逡逑铜的导电性只比银低６％，但它的储量是银的１０００倍，价格比银便宜１００倍逡逑１６８］，低成本，因此吸引了科研工作者的关注，开始合成铜纳米线来降低材料成本，逡逑并通过铜纳米线溶液获得高性能的透明导电薄膜。Ｙｅ等人合成了高纵横比的逡逑铜纳米线（如图１．５所示），并制得了透过率超过９５°／。，方阻小于１００邋Ｄ／□的铜纳逡逑米线透明导电膜。尽管铜纳米线透明导电膜展现了好的光电性能和机械柔性，但逡逑是其对氧气和水分很敏感，极易被氧化，导电性不稳定［？。为了实现稳定性好的逡逑铜纳米线透明导电膜，Ｓｔｅｗａｒｔ等人把溶液方法制备好的铜纳米线透明导电膜逡逑在乙酸中浸泡

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