基于金属纳米线柔性复合透明电极的构筑及性能研究

摘要

透明电极是光电器件的关键组成部分，广泛应用于信息显示、固体照明、光电转换等领域。随着柔性电子、可穿戴电子、便携式电子技术的发展，对透明电极提出了更高要求。不仅需要优异的光电性能、优越的化学稳定性，而且要求高度柔性，并可低成本大面积制作。目前，广泛使用的透明电极主要是氧化铟锡（ITO）透明导电薄膜，然而由于其脆弱易折，不能满足柔性电子器件任意弯折的需求，由此迫使研究者开发新的透明导电材料来替代ITO。近年来，金属（以银、铜为主）纳米线作为透明导电层，以其良好的光透过性、导电性、耐弯折性得到了研究者及工业界的广泛关注。然而，金属纳米线之间的接触电阻高、容易被氧化，严重限制了其在光电器件中的应用。本文主要针对银、铜纳米线，通过构筑复合透明电极的方法制备兼具高电导、高透过率以及优异空气稳定性的金属纳米线柔性复合透明电极。主要内容及结论如下：　　（1）采用旋涂法，在低温下制备高性能的柔性Ag NWs/ZnO复合透明电极。首先用还原法合成ZnO纳米颗粒，然后在PET衬底上依次旋涂Ag NWs和ZnO纳米颗粒分散液。通过优化Ag NWs和ZnO的旋涂层数和复合电极的烧结温度，得到最佳性能的Ag NWs/ZnO透明电极（方阻~20Ω/sq，透过率~87%）。Ag NWs/ZnO透明电极在室温下放置30天后，方阻无明显变化，且能承受300℃高温。结果表明，ZnO的包覆不仅能有效地提高薄膜的光电性能、柔韧性，降低表面粗糙度，还能增强Ag NWs薄膜在室温和高温下的稳定性。　　（2）采用水热法合成出尺寸均一的CuNWs，并通过真空抽滤法制备Cu NWs透明电极，然后通过简单的后处理，在室温下制备高质量的Cu NWs柔性透明电极。首先利用硼氢化钠（NaBH4）的还原性除去Cu NWs表面的有机物和氧化物，提高Cu NWs网络的导电性；随后通过包覆疏水的十二硫醇（DT），提高Cu NWs透明电极的稳定性。通过优化NaBH4溶液和DT溶液的处理，得到最佳性能的Cu NWs透明电极，其方阻约为38Ω/sq，透过率约为87%，研究表明，DT的包覆提高了CuNWs透明电极的化学稳定性和机械柔性。最后测试了基于Cu NWs透明电极加热器的基本性能，该加热器能在5V的工作电压下，50s内达到80℃的饱和温度，满足商业除雾、除霜加热器的要求。　　（3）用真空抽滤和喷涂的方法，在室温下快速制备高导电、优异机械性能和高稳定性的Cu NWs/rGO透明电极。通过简单的NaBH4处理，有效除去Cu NWs表面的有机物和氧化物，同时还原GO，提高复合透明电极的导电性。通过优化NaBH4溶液的浓度、处理时间，以及GO的含量，得到最佳性能的Cu NWs/rGO透明电极（方阻~52Ω/sq，透过率~83%）。实验结果表明，不管是在室温，还是在60℃或80℃环境下，Cu NWs/rGO透明电极的稳定性都明显优于单独的Cu NWs透明电极；此外，该复合透明电极在向内和向外弯曲10000次后均保持性能基本不变，为Cu NWs在柔性电子产品中的应用奠定了基础。最后研究了Cu NWs/rGO透明电极作为加热器在除水雾中的应用，在8V电压作用下仅需8s就将加热器表面的水雾除干净。

目录

声明

1 绪论

1.1 透明电极

1.1.1 导电聚合物电极

1.1.2 碳纳米管电极

1.1.3 石墨烯电极

1.1.4 金属网格电极

1.2 银纳米线透明电极

1.2.1 银纳米线透明电极的抗氧化研究

1.2.2 银纳米线透明电极的应用

1.3 铜纳米线透明电极

1.3.1 铜纳米线的合成

1.3.2 铜纳米线透明电极的抗氧化研究

1.3.3 铜纳米线透明电极的应用

1.4 论文研究内容及创新点

1.4.1论文主要研究内容

1.4.2论文创新点

2 Ag NWs/ZnO透明电极的构筑及性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂及仪器

2.2.2 ZnO纳米颗粒的合成

2.2.3 AgNWs/ZnO透明电极的构筑

2.2.4 实验表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 Ag NWs/ZnO透明电极光电性能的优化

2.3.2 ZnO密度对薄膜表面粗糙度的影响

2.3.3 机械性能分析

2.3.4 稳定性分析

2.4 本章小结

3 Cu NWs透明电极的构筑及性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂及仪器

3.2.2 CuNWs的合成

3.2.3 CuNWs透明电极的构筑

3.2.4 实验表征

3.3 结果与讨论

3.3.1 NaBH4处理对CuNWs的影响

3.3.2 Cu NWs透明电极光电性能的优化

3.3.3 不同线密度对薄膜光电性能的影响

3.3.4 机械性能分析

3.3.5 稳定性分析

3.3.6 基于Cu NWs透明电极加热器的研究

3.4 本章小结

4 Cu NWs/rGO透明电极的构筑及性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验试剂及仪器

4.2.2 GO分散液的制备

4.2.3 Cu NWs/rGO透明电极的构筑

4.2.4 实验表征

4.3 结果与讨论

4.3.1NaBH4处理对Cu NWs/rGO透明电极光电性能的影响

4.3.2 NaBH4处理对GO的影响

4.3.3 GO含量对Cu NWs/rGO透明电极光电性能的影响

4.3.4 机械性能分析

4.3.5 稳定性分析

4.3.6 Cu NWs/rGO透明电极在加热器中的应用

4.4 本章小结

5 结论

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果