PET-石墨烯-银纳米线复合透明导电薄膜及其制备方法转让专利
申请号 : CN201610349164.4
文献号 : CN105869719B
文献日 : 2017-11-10
发明人 : 杜晓晴 , 鲍俊 , 童广 , 崔少丽 , 罗伟 , 曾超 , 李露
申请人 : 重庆大学
摘要 :
权利要求 :
1.PET-石墨烯-银纳米线复合透明导电薄膜制备方法,其特征在于,包括以下步骤:石墨烯基片剪裁与清洗,将采用化学气相沉积生长并转移到PET基底上的石墨烯剪裁至器件制备所需尺寸,对剪裁后石墨烯基片表面的无机杂质和有机物残留进行清洗清除;
银纳米线溶液配制,用超纯水将原银纳米线溶液稀释成浓度为0.2×10-3~3×10-3mg/mL的水溶剂分散液;
真空抽滤银纳米线膜,将浓度为0.2×10-3~3×10-3mg/mL的银纳米线的水溶剂分散液倒入真空抽滤装置的待抽滤瓶内,在与抽滤瓶接触的滤膜下方抽真空形成负压,从而在滤膜上沉积成银纳米线膜,实现固液分离;
压片,将清洗后的PET基石墨烯放置在第一平整玻璃板上,在PET基石墨烯上旋涂导电高分子材料PEDOT PH1000,且以3900~4100转/分钟的转速分别旋涂1~4层,每层的厚度为
30纳米,之后在PET基石墨烯上滴加异丙醇,再将滤膜上沉积的银纳米线膜紧贴在石墨烯上,并排净石墨烯与银纳米线膜之间的气泡,接着在滤膜上覆盖一层平整的PE膜,然后在滤膜上盖上第二平整玻璃板并施加大小为0.1MPa~0.8MPa的压强压紧;
滤膜去除,将压片后获得的滤膜-银纳米线-石墨烯-PET结构放入培养皿中,用滴管滴加丙酮溶剂使上层的滤膜完全溶解,完成银纳米线的衬底转移,得到银纳米线-石墨烯-PET复合电极结构;
氮气吹干,用氮气吹干仪将银纳米线-石墨烯-PET复合电极结构表面吹干。
2.根据权利要求1所述的PET-石墨烯-银纳米线复合透明导电薄膜制备方法,其特征在于,所述对剪裁后石墨烯基片表面的无机杂质和有机物残留进行清洗清除,其顺序包括:将石墨烯基片放入倒有超纯水的烧杯,对烧杯进行封口后放入超声波清洗机中清除石墨烯基片表面的无机杂质;
取出石墨烯基片并用去离子水冲洗两遍;
将石墨烯基片放入倒有丙酮的烧杯,对烧杯进行封口后放入超声波清洗机中清除石墨烯基片表面的有机物残留;
取出石墨烯基片并用去离子水冲洗两遍;
将石墨烯基片放入倒有异丙醇的烧杯,对烧杯进行封口后放入超声波清洗机中清洗石墨烯基片表面残留的丙酮;
取出石墨烯基片并用去离子水冲洗两遍;
采用氮气吹干仪将清洗后的石墨烯基片进行氮气吹干。
3.根据权利要求1所述的PET-石墨烯-银纳米线复合透明导电薄膜制备方法,其特征在于,所述滤膜为MCE混合纤维膜,且滤膜的微孔直径为0.20~0.24微米。
4.根据权利要求1所述的PET-石墨烯-银纳米线复合透明导电薄膜制备方法,其特征在于,在所述氮气吹干步骤之前还包括:残留滤膜去除,取出复合电极薄膜,放入干净的丙酮中进一步去除滤膜残留,并用超纯水和丙酮溶剂冲洗银纳米线-石墨烯-PET复合电极结构表面。
5.PET-石墨烯-银纳米线复合透明导电薄膜,其特征在于,所述PET-石墨烯-银纳米线复合透明导电薄膜根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法制成。
说明书 :
PET-石墨烯-银纳米线复合透明导电薄膜及其制备方法
技术领域
背景技术
明电极的主要要求是:在可见光波段具有高的光透过率(一般要求透过率大于80%)、较低
的方块电阻(一般要求低于100Ω/□)、较低的表面粗糙度以及稳定的机械与化学性能等。
近年来随着微电子和光电子器件向着柔性和类纸式方向发展,透明电极的柔性化需求变得
日益迫切。传统的氧化铟锡(ITO)透明电极存在以下问题:柔性度受限、铟资源昂贵、稀缺、
金属离子易扩散、不耐酸和碱,因此寻找一种合适的可替代ITO的柔性电极材料显得非常必
要。
不够理想。具体地,碳纳米管虽然具有优异的柔韧性,但是作为透明柔性电极还存在方块电
阻较大的缺点;导电聚合物具有很好的机械柔韧性,制备成本较低,但是存在化学稳定性较
差,在蓝光波段吸收较强等问题;石墨烯是目前最具潜力的柔性电极材料,但是由于其制备
工艺的限制,目前实际应用的石墨烯方块电阻比较大,通过掺杂可以一定程度上改善石墨
烯方块电阻的问题,使方块电阻降到几百Ω/□,但是仍然达不到实际应用的需求;银纳米
线最明显的优势是易于在保证高透光率的条件下获得较低的方块电阻,但是银纳米线薄膜
的网状结构中存在大量孔隙,表面粗糙度较大,易造成器件大的漏电流,甚至短路。
力的透明电极材料。在这种复合体系中,石墨烯提供较高的载流子浓度与电子迁移率水平,
银纳米线提供更多的电子数量与迁移通道,二者互为补充,从而使得该复合体系在保证柔
韧性和可见光波段透光性的条件下,方块电阻达到应用需求。
出来的薄膜均匀性不好,而且材料的利用率不高。因而,如何制备一种能够满足使用需要的
石墨烯与银纳米线复合透明导电薄膜,成为目前亟待解决的问题。
发明内容
用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,简称CVD)生长的石墨烯作为复合材料的基
底,在具有高电子迁移率的固相石墨烯条件下,只需少量银纳米线即可达到较低的方块电
阻和较高的光透过率,并最终得到一种PET-Graphene-AgNWs复合透明导电薄膜。
除;
在滤膜上沉积成银纳米线膜,实现固液分离;
度为30纳米,之后在PET基石墨烯上滴加异丙醇,再将滤膜上沉积的银纳米线膜紧贴在石墨
烯上,并排净石墨烯与银纳米线膜之间的气泡,接着在滤膜上覆盖一层平整的PE膜,然后在
滤膜上盖上第二平整玻璃板并施加大小为0.1MPa~0.8MPa的压强压紧;
烯-PET复合电极结构;
复合电极结构表面。
膜,再经过衬底转移获得复合电极;真空抽滤法具有材料利用率高、所制备的复合薄膜均匀
性好、材料之间接触紧密、易于大面积制备的优点),石墨烯采用化学气相沉积生长,由此制
备出的PET-Graphene-AgNWs复合透明导电薄膜同时具有银纳米线分散均匀、厚度可控、机
械柔性好、方块电阻低、光学透过率高、表面粗糙度较低的优点,这些综合性能使得PET-
Graphene-AgNWs复合透明导电薄膜达到器件应用需求。
固相形式,因此石墨烯的边缘缺陷较少、晶相较为完整,因此只需少量银纳米线的复合就可
达到较低的方块电阻和较高的光透过率。在相同银纳米线浓度下,石墨烯与银纳米线复合
薄膜的方块电阻比纯银纳米线薄膜的方块电阻低20%-40%;且本发明制备的复合薄膜在
光透过率为85%时,方块电阻28Ω/□,与已有文献报道的复合薄膜(光透过率为80%时,方
块电阻为27Ω/□)相比,在满足相同方块电阻条件时,本发明具有更高的光透过率。而这对
于透明器件,特别是光电子器件如电致发光器件、太阳能电池等具有重要的意义。
当银纳米线浓度为0.2×10-3mg/mL时复合薄膜的平均粗糙度为4.837nm。而较小的表面粗糙
度有利于提高器件的可靠性,减小器件漏电流,对石墨烯-银纳米线复合薄膜的器件应用有
着重要的意义。
附图说明
具体实施方式
能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个
以上。
除。作为具体实施方式,石墨烯由中科院重庆绿色智能研究提供,用化学气相沉积(CVD)法
镀于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上,石墨烯采用氯化金(AuCl3)掺杂处理。具体地,由于原
石英墨烯片的尺寸较大,故需要将PET基石墨烯基片剪裁至器件制备所需尺寸15mm×15mm,
剪裁时可将PET基石墨烯基片紧贴在坐标纸上,再根据坐标纸上的标尺剪裁出若干目标尺
寸15mm×15mm的石墨烯基片,然后对剪裁后的石墨烯基片表面进行清洗。基片清洗顺序包
括:先在烧杯中倒入适量超纯水,再将置于清洗架的石墨烯基片放入烧杯中,用铝箔纸对烧
杯进行封口,最后将烧杯放入超声波清洗机中清除石墨烯基片表面的无机杂质,超声波清
洗机的清洗参数设定:清洗温度45℃,清洗时间30分钟;超声清洗完毕后取出基片,用去离
子水将石墨烯基片冲洗两遍后,按照前述用超纯水清洗相同的方法,再在烧杯中加入丙酮
后放入超声波清洗机中清除石墨烯基片表面的有机物残留,然后在烧杯中加入异丙醇后放
入超声波清洗机中清洗石墨烯基片表面残留的丙酮,丙酮和异丙醇清洗时超声波清洗机的
清洗参数设定为:清洗时间30分钟,清洗温度45℃,且每种试剂清洗后均用去离子水将石墨
烯基片冲洗两遍,以确保基片表面无残留溶液。最后采用氮气吹干仪对清洗后的石墨烯基
片进行氮气吹干。
微米。具体地,由于真空抽滤法要求待抽溶液的浓度极稀,因而需要对原银纳米线溶液进行
稀释。本发明的发明人经过研究发现,银纳米线在超纯水中有较好的分散性,并且水分子可
以顺利通过滤膜的微孔而对滤膜没有腐蚀作用,因此本发明选用超纯水将原银纳米线溶液
稀释至浓度分别为0.2×10-3、0.4×10-3、0.6×10-3、0.8×10-3、1×10-3、2×10-3、3×10-3mg/
mL的100mL水溶剂分散液。具体可用移液枪将10mg/mL的银纳米线水溶剂分散液分别取用2、
4、6、8、10、20、30μL银纳米线溶液,加超纯水分别稀释至100mL;然后用玻璃棒搅拌,使银纳
米线溶液分散均匀,最终获得不同浓度的银纳米线水溶剂分散液。
在滤膜上沉积成银纳米线膜,实现固液分离。作为具体实施方式,在真空抽滤法中,滤膜起
到了关键作用,而滤膜是表面存在大量微孔的混合纤维材料,且微孔孔隙率高,孔径均匀,
无介质脱落,质地薄,阻力小。据此,真空抽滤装置选用成都泰坦恒隆科技有限公司生产的
R300-LF32型真空抽滤装置,其最大真空度为120mbar,最大流速为18L/min。具体地,请参考
图2所示,将体积为v,浓度为c的银纳米线的水溶剂分散液倒入待抽滤瓶内,然后在滤膜下
方抽真空形成负压,水分子的大小远远小于滤膜孔径,因而可以透过滤膜,而银纳米线则无
法通过滤膜,所以在滤膜上会沉积成面积为s的银纳米线膜,从而实现了固液分离。
大,则抽滤得到的薄膜的单位面积质量越大。针对前述不同浓度相同体积100mL的银纳米线
分散液通过真空抽滤法进行抽滤,获得直径约为35mm的圆形银纳米线薄膜,并根据上述参
数,算出所成薄膜中银纳米线的面密度如下表1所示。
-3 4
Sa1 0.2×10 0.628×10
Sa2 0.4×10-3 1.257×104
Sa3 0.6×10-3 1.885×104
Sa4 0.8×10-3 2.514×104
Sa5 1×10-3 3.142×104
Sa6 2×10-3 6.284×104
Sa7 3×10-3 9.426×104
平整玻璃板并施加压强压紧。具体地,由于石墨烯与银纳米线之间的复合作用力是范德华
力,因此需要通过压片的方式减小石墨烯与银纳米线的距离,从而获得较大的复合力。请参
考图3所示,先将PET基2石墨烯3放置在干净的第一平整玻璃板1上,接着将银纳米线薄膜4
连同滤膜5裁剪到与石墨烯3基片相匹配的尺寸,然后在PET基石墨烯上滴加几滴异丙醇,以
提高石墨烯表面的润湿性,再将滤膜5上沉积的银纳米线膜4紧贴在石墨烯3上,即将带银纳
米线膜4的一面紧贴石墨烯3并排净两者之间的气泡,然后在滤膜5上盖上第二平整玻璃板7
并施加0.1MPa~0.8MPa的压强压紧;作为一种实施方式,在第二平整玻璃板7上施加0.6MPa
的压强并压紧30分钟。
丙醇的步骤,由此可以提高石墨烯表面的润湿性,再将滤膜带银纳米线的一面紧贴在石墨
烯上,并施加一定压力即可排净两者之间的气泡。
7,最后在第二平整玻璃板7上施加一定的压强压紧。
上旋涂导电高分子材料PEDOT PH1000,且以3900~4100转/分钟的转速分别旋涂1~4层,每
层的厚度为30纳米;旋涂完之后再进行银纳米线的转移。对应地,所述在PET基石墨烯上旋
涂导电高分子材料PEDOT PH1000之后,还包括在导电高分子材料PEDOT PH1000上滴加异丙
醇的步骤,以此提高导电高分子材料PETDOT PH1000表面的润湿性,增强与银纳米线膜表面
的结合性。
烯-PET复合电极结构。具体地,压片完毕以后,可以获得滤膜-银纳米线-石墨烯-PET结构,
而复合电极的目标结构为银纳米线-石墨烯-PET,因此需要去除其中的滤膜。本发明人考虑
到本申请中采用的滤膜材料是混合纤维,其可以很好的溶解在丙酮中,同时丙酮对银纳米
线、石墨烯和PET的性能没有影响,因此本申请选择丙酮作为衬底转移时的溶解液。在进行
具体的滤膜去除时,可先将滤膜-银纳米线-石墨烯-PET结构放入培养皿中,用滴管缓慢滴
加丙酮至上层的滤膜完全溶解,继续滴加至完全浸透,静置50分钟左右,即完成银纳米线的
衬底转移,得到银纳米线-石墨烯-PET复合电极结构。
进行残留滤膜去除;而残留在复合电极结构表面的滤膜分为两种:一种是已被丙酮溶解,可
以用超纯水冲洗去除;另一种是还未完全溶于丙酮,可以用丙酮冲洗去除。具体地,残留滤
膜去除包括:取出复合电极薄膜,放入干净的丙酮中进一步去除滤膜残留;然后取出,基底
以低倾斜度放置,从上端先用超纯水冲洗3次,再用丙酮冲洗3次。
图4(b)所示的复合透明导电薄膜是AgNWs溶液浓度为0.2×10-3(mg/mL)时的实物图片。
膜,再经过衬底转移获得复合电极;真空抽滤法具有材料利用率高、所制备的复合薄膜均匀
性好、材料之间接触紧密、易于大面积制备的优点),石墨烯采用化学气相沉积生长,由此制
备出的PET-Graphene-AgNWs复合透明导电薄膜同时具有银纳米线分散均匀、厚度可控、机
械柔性好、方块电阻低、光学透过率高、表面粗糙度较低的优点,这些综合性能使得PET-
Graphene-AgNWs复合透明导电薄膜达到器件应用需求。
固相形式,因此石墨烯的边缘缺陷较少、晶相较为完整,因此只需少量银纳米线的复合就可
达到较低的方块电阻和较高的光透过率。在相同银纳米线浓度下,石墨烯与银纳米线复合
薄膜的方块电阻比纯银纳米线薄膜的方块电阻低20%-40%;且本发明制备的复合薄膜在
光透过率为85%时,方块电阻28Ω/□,与已有文献报道的复合薄膜(光透过率为80%时,方
块电阻为27Ω/□)相比,在满足相同方块电阻条件时,本发明具有更高的光透过率。而这对
于透明器件,特别是光电子器件如电致发光器件、太阳能电池等具有重要的意义。
当银纳米线浓度为0.2×10-3mg/mL时复合薄膜的平均粗糙度为4.837nm。而较小的表面粗糙
度有利于提高器件的可靠性,减小器件漏电流,对石墨烯-银纳米线复合薄膜的器件应用有
着重要的意义。
试,并主要从复合电极的表面形貌、方块电阻、柔韧性、透过率和表面粗糙度等特性表征进
行说明。
貌表征实验使用的是由德国蔡司公司生产的EVO18型扫描电子显微镜(SEM),其具体表面形
貌特性表征请参见图5(a)。
技公司生产的RTS-9型双电测四探针测试仪,其具体方块电阻特性表征请参见图5(b)。
次,每隔100次测一次方块电阻变化,其具体柔韧性特性表征请参见图5(c)。
SHIMADZU(岛津)公司生产的UV-2450型紫外-可见分光光度计,其具体透过率特性表征请参
见图5(d)。从该图中可以看出,在550纳米波长处,随着银纳米线浓度的增加,复合电极的光
透过率大致呈现为线性降低。
发光器件可能出现局部过热,甚至发生短路。复合电极表面粗糙度表征实验使用的是日本
OLYMPUS(奥林巴斯)公司生产的MFP-3D-BI0型原子力显微镜(AFM),其具体表面粗糙度特性
表征请参见图5(e)。
PEDOT PH1000层数的变化关系,具体请参见下表2中不同PEDOT PH1000层数与复合电极平
均粗糙度的关系。
电极的平均粗糙度从26.072nm降低到15.057nm。值得注意的是,平均粗糙度的降低幅度随
着层数的增加越来越小。
参见下表3中不同转移压强与复合电极平均粗糙度的关系。
0 43.32 200
0.2 26.44 140
0.4 19.62 110
0.6 16.89 90
0.8 14.64 80
43.318nm降低到14.643nm,因此增加转移压强可以降低复合电极的表面粗糙度。
合电极表面粗糙度随银纳米线浓度的变化关系,具体请参见下表4所示。
Sa1 4.83 60
Sa2 9.59 60
Sa3 16.05 70
Sa4 22.31 80
度从47.789nm降低到4.837nm,具体请参考图5(f)所示。
中银纳米线浓度的增加,器件的载流子注入效率逐渐增加,发光亮度逐渐增加,启亮电压逐
渐降低。其样品的启亮电压为1.5V,10V发光亮度可以达到22694.51cd/m2,最大电流效率达
到8.89cd/A。
术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本
发明的权利要求范围当中。