龟裂模板法制备可拉伸铜纳米网络及其透明导电性能研究

• 作 者: 赵阳
• 出 处: 东北师范大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 透明电极 铜纳米网络 龟裂模板法 电镀 等离子体

近年来,柔性显示、柔性太阳能电池、电子皮肤等新型电子器件的出现,对透明导电材料提出了新的要求——不仅要具备良好的光电性能,还要具有可拉伸和可弯折特性。传统金属氧化物透明导电材料(ITO、FTO、AZO等)存在脆性大、生长温度高等缺点,限制了其在柔性光电器件中的应用。在众多替代材料中,金属纳米网络具有导电率高、透过性好等优点,逐渐成为人们关注的焦点。龟裂模板法是制备金属纳米网络的主要方法之一。然而,现有的龟裂模板法存在裂缝密度低、宽度分布不均匀,真空蒸镀金属的利用率低等问题。针对上述问题,本文首先利用氧等离子体增强衬底表面能,实现了对龟裂模板裂隙密度和宽度以及均匀性的调控;其次,利用电镀法替代真空蒸镀沉积金属,提高了金属的利用率和沉积效率;最后,采用机械转移法将铜网络嵌入到聚合物PDMS当中,制备出具有较好稳定性和可拉伸性的透明导电铜纳米网络。本文主要研究内容如下:1、利用氧等离子体处理衬底,优化了龟裂模板形貌。采用氧等离子体轰击衬底表面,改变衬底表面能,进而调节龟裂模板的裂隙宽度和密度。接触角测试和SEM结果表明:随着等离子体处理时间延长,衬底的表面能逐渐增加,裂隙的宽度逐渐降低、密度和均匀性逐渐提高。对比实验发现,等离子体处理法使金属纳米网络的透明导电品质因数增加了3.4倍。2、利用电镀法制备出铜纳米网络,获得优化电镀条件。利用氧等离子体处理法增大衬底与模板的粘附力,避免了电镀液渗入模板下方,成功以电镀法替代真空蒸镀法,制备出铜纳米线网络,并显著提高了金属纳米网络的沉积速率。研究了电镀时间和电流大小对金属纳米网络光电性能的影响,通过优化电镀参数,在透过率为76%(波长为550nm处)时,获得了面电阻为0.14Ω/□的铜金属纳米网络,品质因数比真空蒸镀法提高了近20倍。3、研究了铜纳米网络的可拉伸性和化学稳定性。利用机械转移法将铜纳米网络嵌入到PDMS弹性衬底中,制备出柔性可拉伸的PDMS/Cu/PDMS薄膜。通过原位显微镜观察,发现金属纳米网络在拉伸时发生通过形变和滑移释放应力,在10%应变条件下,循环拉伸1000次后,面电阻几乎保持不变。此外,这种嵌入式结构将金属纳米网络与氧分子隔绝,提高了其化学稳定性,在老化试验中嵌入到PDMS中的铜纳米网络的面电阻比暴露空气的铜纳米网络的退化速率降低了42倍。