碳基柔性可延展导电薄膜及其光电探测器研究

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碳基纳米材料具有独特的光电性能、优异的力学性能与延展性、优良的热稳定性与化学稳定性,是制备高性能柔性可延展导电薄膜及器件的理想材料;其中,碳基功能薄膜的可控制备及其在光电子领域的应用引起了人们的广泛关注。目前,碳基柔性导电薄膜的制备方法主要包括:喷涂法、旋涂法、提拉法、涂布法、喷墨打印法以及真空抽滤等。近年来,柔性碳基功能薄膜已成功应用于光电探测器、热成像、医疗诊断、场效应晶体管和发光二极管等器件中,取得了一些重要的研究成果。但是,高性能柔性可延展碳基导电薄膜的可控制备、机理探究及其在新型光电器件的研究仍具有十分重要的意义。本文的主要研究内容及结果包括以下三个方面:  (1)结合目前基于一维纳米材料柔性可延展导电薄膜制备方法的优缺点,我们首次提出了预拉伸和嵌入相结合的策略制备高性能一维纳米材料基柔性可延展导电薄膜。此方法首先在玻璃表面制备碳纳米管薄膜,其次在薄膜表面旋涂一层未固化的PDMS,然后使用预拉伸的PDMS转移,最终将碳纳米管导电材料嵌入预拉伸PDMS衬底中。与传统的预拉伸法和嵌入法制备导电薄膜制备技术相比,我们的方法可以同时实现优异的拉伸性能、低的表面粗糙度和稳定的电性能。在15%的拉伸应力下,碳纳米管导电薄膜被循环拉伸1000次后,其电阻变化率小于8.2%。值得指出的是该方法还用于银纳米线基柔性可延展薄膜的制备,具有一定的普适性。  (2)设计并构筑了一种全碳柔性光电探测器,其中PEDOT∶PSS薄膜充当平行电极,碳纳米管和富勒烯复合薄膜作为中间活性层。该柔性全碳器件呈现光电响应特性,与一次喷涂法制备活性层相比,两次喷涂法制备活性层具有巨大的优势,显著提升了器件的光电响应性。通过设计零维富勒烯和一维碳纳米管的碳基纳米复合结构,可以同时实现载流子的分离与传输。在固定电压为2V的条件下,光电探测器的最高电流与最低电流比值为38,响应时间为1.36 s。值得指出的是,这种全碳器件不仅具有光电响应性,还具有结构简单、全溶液加工、大面积与低成本等突出优点,在未来绿色柔性电子方面具有意义。  (3)设计并构筑了一种柔性可穿戴全一维纳米材料基光电探测器,其中采用多壁碳纳米管或银纳米线作为电极材料,单壁碳纳米管与富勒烯纳米棒混合薄膜作为中间活性层材料。光谱分析表明,由于富勒烯纳米棒在可见光内强的吸光性,拓宽了碳纳米管/富勒烯纳米棒光电探测器在可见光范围内的光响应能力。在此基础上,进一步研究发现高温热处理会赋予探测器优异的光电响应性能,响应时间降低为1.19s,这是由于高温使得单壁碳纳米管/富勒烯纳米棒复合物活性层的结构发生优化,更有助于载流子的高效分离与传输。值得指出的是所制备器件赋予手指进行弯曲测试时,器件依然保持稳定的光电响应能力,表明这种基于全一维纳米材料的柔性光电探测器可以应用于可穿戴电子。
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