基于银纳米线@聚乙烯吡咯烷酮复合透明电极的制备与性能研究

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作为最具潜力的柔性透明电极材料,银纳米线(AgNW)在过去十多年中备受瞩目。到目前为止,基于AgNW的透明电极已在许多领域中得到广泛应用,并表现出优异的性能。AgNW相比于传统的透明导电材料——氧化铟锡有多种优势,如优异的机械柔韧性,可通过低成本工艺大规模制备透明导电薄膜,更重要的是AgNW大规模合成方法已经相当成熟。但是,所制备的AgNW导电网络由于高分子残留或交叉点处的不良接触而存在极高的接触电阻。线与线的弱连接也会影响AgNW膜的机械柔韧性,因为简单搭接的AgNWs会在薄膜弯曲或拉伸时发生滑动,从而导致薄膜导电性下降或失效。另外由于AgNW具有超高的比表面积,其表面活性高,在低温条件下原子扩散现象严重。因此,AgNWs的熔融温度比块体银(961°C)要低得多。此外,AgNW存在多种失效形式(如化学失效、热失效和电子迁移等),一般是AgNW表面生长Ag2O颗粒,纳米线断裂以及分解。这些不稳定性因素的存在会严重影响金属纳米线器件的可靠性,给AgNW相关电子产品的寿命长短带来了极大的影响。本文将以AgNW的接触电阻及其稳定性为出发点进行研究。1.AgNW透明电极中的接触电阻是电气性能的关键参数,并且前人已经开展了许多工作来降低接触电阻。但是,这些方法需要特定的设备或其他材料作为“焊料”,可能会对AgNWs或基底产生不利影响。在本文中,首次完善了系统的AgNW电焊接规律。在前人研究中,焦耳热已被用于实现金属纳米线的焊接,但是没有具体焊接规律的报道。在这项工作中,完善了纳米焊接规律,此规律告诉研究人员如何调整焊接电压和时间以获得最佳焊接效果,并且可以广泛用于多种金属纳米线透明电极的焊接。通过该方法处理后的AgNW透明电极的方阻从240Ω/sq降低到27Ω/sq。相比于最常用的后处理方法——热处理(方阻从240Ω/sq降低到43Ω/sq),该方法能达到更好的效果。而且电焊接根据焦耳定律(Q=I~2Rt)仅对线线接触点处产生作用,对其他部分基本没有影响。相比于热处理方法,电焊接能极大减小对AgNW透明电极的不利影响。2.核-壳结构可以赋予AgNW出色的稳定性,但是目前的钝化壳层制备工艺复杂、昂贵,并且具有外壳包裹的AgNW分散性差,极大地阻碍了其应用。聚合物壳材料可以解决这些问题,但没有研究者采用;因为除了除去聚合物外,目前尚无方法可以克服绝缘聚合物的导电性限制。在本文中,受扫描隧道电子显微镜的隧穿效应的启发,我们报告了一种隧道电流交叉点焊接方法,该方法可以保留绝缘聚合物的同时克服其对银纳米线的导电限制:(1)克服绝缘聚合物导电限制的关键是控制聚合物壳层厚度以产生隧穿电流;(2)由于接触电阻远高于纳米线电阻,并且焦耳热主要积聚在交叉点内部,因此可以实现定点焊接,仅除去交叉点内部的聚合物并熔焊AgNWs,而将其他位置的聚合物保留。基于该策略和我们完善的电焊接规律,对银@聚乙烯吡咯烷酮核壳(Ag@PVP)纳米线薄膜进行了焊接,结果表明该策略是有效的。另外,Ag@PVP薄膜具有较高的透过率和导电性(32.5Ω/sq,94%),表明PVP壳层几乎不会影响AgNW薄膜的光电性能。双85可靠性测试(30天)显示,PVP壳层赋予AgNW极好的稳定性。最终,制备了以Ag@PVP膜为电极的OLED电子器件,其效率与利用氧化铟锡(ITO)的光电器件相当。
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