超声3D打印机研发及核壳Cu纳米丝的大面积图形化透明导电薄膜应用研究

发布时间：2020-05-25 05:03

【摘要】：随着液晶电视、智能手机、平板电脑、触摸屏、智能穿戴等光电子产品的普及,在光电子器件在技术上日益成熟的同时,仍就面临着许多尚未解决的难题。透明电极作为光电子器件的重要组成部分之一,一直都是研究者们青睐的探索课题。传统电极ITO在工艺以及材料上的发展出现了瓶颈,并且由于铟资源的匮乏导致ITO价格的太过昂贵,加上ITO比较脆因此不利于将其应用在柔性电子设备当中。目前除了 ITO,石墨烯、碳纳米管、金属纳米线等众多透明电极材料也都被广泛的研究,可见透明导电电极拥有着广阔的应用市场。那么在此背景下,新型透明电极成为了研究者们竞相追逐的目标。其中,铜纳米丝凭借着其低成本,仅为ITO的一百分之一,并且具备着高柔性以及优良的光电特性,被公认为新一代的透明电极希望之星。不过在研究铜纳米丝的过程当中,其仍然面临着一些难题,诸如铜纳米丝在空气中极易被氧化,以及转移技术所限难以制备大大面积的透明导电薄膜,亟待解决。针对上述难题,本论文进行了一系列探索性研究。首先,为克服铜纳米丝容易氧化的这一难题,我们在铜纳米丝表面上包裹上不同种类物质作为抗氧化层,以提高其本身的稳定性;其次,我们提出超声3D打印喷涂技术来制备大面积透明导电薄膜,提出了新的技术理念,并且取得重要进展。一、本工作提出在铜纳米丝表面上包裹上不同类型壳层的技术,以提高铜纳米丝抗氧化性增强其稳定性,其中分别为银壳层(金属)、氧化锌(半导体材料)以及石墨烯(碳系材料)三类。针对包裹的不同物质,我们分别提出了相对应的整套包裹技术方案,对于银金属壳层,我们提出了一锅法快速包裹技术,继而通过不同技术手段的测试,发现Cu@Ag纳米丝具备良好的抗氧化以及易形成导电网络的特性;对于氧化锌半导体壳层,我们提出了先包裹Zn金属壳层,再采用过氧化氢将其氧化为氧化物的两步法技术,成功实现半导体壳层在金属纳米线表面的成功包裹,其展现出很好的抗氧化性、稳定性,十分有趣的是,通过测试我们发现了其还具备着半导体光电性质,在紫外(390 nm)及可见光(450 nm)波段的出现发光峰;对于碳材料壳层,我们建立了 CVD气相法在铜纳米丝网络表面包裹石墨烯壳层,设计了铜箔腔体装置,克服铜纳米丝高温熔化问题,成功获得Cu@graphene纳米丝,其具有很强的抗氧化特性,并使铜纳米丝光电性能获得大幅提升。此项工作所获得的研究结果将为透明电极的应用领域扩展提供了非常重要的科学数据,为未来生产工业提供了一幅伟大的蓝图。二、由于大面积导电薄膜制备技术受到限制,我们提出超声3D打印喷涂技术。根据3D打印机“层叠堆积”原理,设计集成超声喷头的3D打印机设备,并实现快速大面积铜纳米丝透明电极的制作。我们研发了超声喷头装置,期间经过不断的测试实验以及优化效果,最终实现气压震荡铜纳米丝喷涂,喷涂速度达2m/min,喷涂面积超过A4尺寸,可适用于大面积、大批量的透明导电薄膜制备,均匀性稳定;我们又提出模板法图形化喷涂技术,实现了任意所需图形或电路的透明电极制备;超声3D喷涂制备的导电薄膜的透光率高,导电性与传统真空抽滤法制作的电极相当。该超声3D打印机技术,成功实现工业级纳米丝透明电极的快速生长需求,为铜纳米丝向产业化应用领域迈进提供了关键的技术支持,同时该技术可扩展应用于其它种类纳米材料的3D喷涂,在未来在工业中量产应用打下良好的技术基础。三、完成铜纳米丝及及其网络结构在不同新型智能柔性电子设备上的开发与应用。其一,在热色显示仪应用方面。由于铜纳米丝具有良好的电热转换效率,热反应速度迅速并且工作稳定性强,我们以铜纳米丝制备电热导电薄膜为先导,并将其与变色涂料的结合,研发出一种新型显示技术——热色显示仪。由于制作简单、成本低廉,因此在以后具有广阔的市场;其二,在柔性触摸的应用上,由于ITO较脆,那么铜纳米丝作为透明电极无疑成了柔性设备的优先选择对象,我们通过超声3D打印技术,实现大面积柔性导电薄膜的喷涂,并图形化电极和电路制作成功大面积柔性触摸屏,实现触摸书写和显示;其三,在蓝光LED应用方面,利用Cu@Graphene纳米丝网络实现GaN的透明欧姆电极,通过APSYS仿真软件揭示了 Cu@G铜纳米丝与半导体表面以点接触形态对欧姆接触的特殊尖端电注入机制,成功点亮LED,通过测试证明其具备着优良的光电性能。可见铜纳米丝透明电极在各个器件领域中都占据着至关重要的地位,具有广阔的应用前景。
【图文】：

透明电极,柔性,曲面显示,透明导电薄膜

、碳纳米管［７］、金属纳米丝⑷等众多透明电极材料也都被广泛的研宄，可见透逡逑明导电电极拥有着广阔的应用市场。目前透明电极己经使用在曲面显示屏、发光逡逑器件、柔性太阳能电池、柔性触摸屏等领域，如图１．１所示，由此透明电极在工逡逑业制造中占据着非常重要的地位。透明电极作为现代世界制造技术发展的前沿科逡逑技，，为未来生产工业提供了一幅伟大的蓝图，将成为新世纪制造业的主要生产材逡逑料。逡逑＾９ＢＢＢＲ逡逑图１．１透明电极的（ａ）曲面显示屏的应用；（ｂ）发光器件的应用；逡逑（ｃ）柔性太阳能电池的应用（ｄ）柔性触摸屏的应用逡逑那么如何将铜纳米丝转移到衬底上形成大面积透明导电薄膜，这一技术也尤逡逑其关键。因此对于转移铜纳米丝的要求十分的苛刻，譬如纳米丝转移到衬底上要逡逑求分布均匀、转移技术具备一定的稳定性等等。那么目前转移铜纳米丝制备导电逡逑薄膜的主流方法主要有：金属棍棒滚压法真空抽滤压印法等等。由于当前技逡逑术较难实现大面积透明导电薄膜的制备，因此我们课题组提出超声３Ｄ打印喷涂逡逑的方法来克服这个难题。并提出模板法图形化喷涂技术，可实现任意所需图形或逡逑２逡逑

导电薄膜,碳纳米管,柔性,触摸屏

在２００７年，碳纳米管电极首次被应用于触摸屏的使用，截至目前己经有多款智逡逑能手机己经使用碳纳米管透明电极制成触摸屏。但是目前来看由碳纳米管制备的逡逑导电薄膜导电性还略差于ＩＴＯ薄膜，所以它的商业化步伐比较慢。如图１．２所示，逡逑为碳纳米管的研宄现状。逡逑糊豪悐Ｉ逡逑ｄ逡逑Ｋ邋Ｊ逦］［邋Ｊ逡逑图１．２碳纳米管的（ａ）邋ＳＥＭ图［Ｉ８】；（ｂ）邋ＡＦＭ图（ｃ）柔性导电薄膜的应用⑴：逡逑（ｄ）光电子器件的应用１２0】。逡逑３逡逑
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383;TP334.8

【参考文献】