新型透明导电薄膜的制备及其在光电器件中的应用

来源 :华中师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangxinyi808
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透明导电薄膜材料作为大多数光电子器件不可或缺的重要组成部分,其研究一直受到科研和工业领域的广泛关注。铟锡氧化物(ITO)由于其高电导率和高透光率,已经成为透明导电薄膜的主要材料。但由于ITO本征的脆性使其无法满足未来柔性器件的性能要求,同时铟资源的稀缺也促使人们急需开发一种价廉易得、高性能的透明导电薄膜材料来替代ITO。在过去的几十年中,各种各样的透明导电材料,包括金属(图案化金属网格、金属薄膜、金属线),碳材料(碳纳米管、石墨烯),高分子材料(导电聚合物)以及它们的复合材料,均得到广泛研究。然而,高性能透明导电薄膜材料的制备依然面临许多挑战。本论文从透明导电薄膜的结构设计出发,研发了一系列新型的柔性透明导电薄膜材料,系统研究了这些材料的微观结构对其透光及导电性能的影响,并在此基础上探索了这类新型透明导电材料在柔性光电器件中的应用。  首先,我们通过室温还原技术在金属网格表面原位还原氧化石墨烯薄膜,实现了金属网格与还原氧化石墨烯两种透明导电材料的有机结合。这种还原氧化石墨烯/金属网格复合薄膜不仅克服了单一材料的缺陷,而且表现出良好的光电性能(透光率80%,薄膜电阻18Ω sq-1)和柔性。用这种复合薄膜作窗口电极,成功组装了具有高稳定性和快速电响应(<60 ms)的柔性电致变色器件。  第二,我们以纳米球模板法制备的金属纳米网为研究对象,采用纳米球模板法和电沉积结合的方法,实现了金纳米网上二氧化锰纳米片的原位图案化制备,得到了一种新型的金属-半导体核壳纳米网结构。这种独特的图案化结构充分满足了透明导电电极对导电性和透光性以及高容量活性材料的要求;同时,在金属纳米网集流体原位生长的二氧化锰纳米片结构更有利于电荷的传输。作为透明柔性电容器的电极,这种核壳结构电极表现出高的面积比容量4.72 mF cm-2和优异的倍率性能以及在弯曲状态下良好的循环稳定性。  第三,我们通过改进工艺实现了高度有序的大面积单层聚苯乙烯小球的制备,并在此基础上用角度控制的纳米球模板法制备了不同的金属纳米阵列结构,包括圆孔、椭圆孔、曲折线及直线阵列;系统研究了不同金属纳米结构对薄膜导电性和透光性的影响。我们进一步通过分步角度沉积法制备了金属纳米线交叉网络,通过调节纳米线宽度、厚度以及材料种类,我们得到了综合性能(透光率80%,薄膜电阻100Ω sq-1)良好的铜纳米线交叉网格,解决了纳米球模板法制备的六角圆孔纳米网透光性较差的问题。这种分步沉积构建交叉纳米线网络的方法在下一代柔性透明微型电子器件(如透明记忆器件)的构建中具有巨大潜力。
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