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具有长期稳定性的透明导电碳纳米管薄膜的制备方法
发布:song123   时间:2015/6/24 14:58:16   阅读:1766 
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材料与测试:具有长期稳定性的透明导电碳纳米管薄膜的制备方法

透明的导电碳纳米管薄膜的制备过程

金属卤化物,例如碘化亚铜,以纳米颗粒形式生长在一种薄膜上,得到的新开发的透明且导电的碳纳米管(CNT)薄膜由于纳米颗粒和碳纳米管之间的相互接触而具有一种混合结构。这种薄膜保留着原来基础材料的80%的透明性,而它的薄层电阻(表面电阻率)为60欧/平方。这种薄膜所具有的足够高的透明性和导电率使得它具有许多潜在应用。此外,当露天放置时,这种薄膜还具有长期稳定的表面电阻率,在之前利用传统的掺杂技术提高导电性的同时而要保持稳定的表面电阻率可是一个大难题。
 
这种研制出的薄膜将具有巨大的应用潜力,包括触摸屏、传感器、弹性太阳能电池等,当然应用最多的应该是利用碳纳米管的弹性性质而作为一种弹性的导电材料。此外,它同样有望用于需要高弹性的可穿戴电子设备等方面。该项研究的成果已经发表在期刊《Carbon》上。
 
社会研究背景:
铟锡氧化物薄膜是目前应用最多的透明电极材料,主要用于移动信息设备和电脑触摸面板等方面。这种薄膜采用了稀有金属铟,这会造成资源枯竭的隐患以及由于国际关系的变化而可能引起的原料供应不足等问题。同时,铟锡氧化物薄膜还存在的一个问题是它的脆性较大,不能够弯曲。这使得将其用于需要弯曲或者折叠的下一代的弹性电子装置中会非常困难。因此,为了解决这些问题,人们需要研发出一种可替代铟锡氧化物薄膜的透明且导电的薄膜材料。
 
研究历史:
日本的产业技术综合研究所的纳米管研究中心采用了eDIPS(enhanced direct injection pyrolytic synthesis method,增强直喷热解合成法)法对单壁碳纳米管进行大量生产,质量优化和直径控制等。此外,电子和光子学研究所将利用eDIPS法制备得到的单壁碳纳米管分散在一种含有纤维素基的聚合物溶剂中制成一种墨水,用于在一个均匀的塑料基体上制备涂层薄膜。这种基体随后采取了包括脉冲光发射在内的一系列后处理工艺。最终得到了一种具有高导电性的透明导电薄膜。目前的研究极大的提高了这种导电性的长期稳定性,在以前,维持导电性的长期稳定是碳纳米管透明导电薄膜实际应用中遇到的一个大障碍。
 
研究细节:
碳纳米管是一种由卷曲的石墨烯片构成的具有管状结构的材料。它们具有和聚合物一样的优异弹性,同时还具有高导电性等优良性能。然而,碳纳米管薄膜的导电性却远远低于碳纳米管的导电性。而这很有可能是因为碳纳米管之间的接触电阻对导电性产生了较大的影响。利用掺杂技术,加入少量的氧化剂,例如硝酸,是一种为提高碳纳米管薄膜的导电性而经常采用的一种方法。掺杂硝酸会使得挥发性的硝酸被碳纳米管所吸收,也正是因此,如果这种薄膜被长期放置于空气中,碳纳米管薄膜中挥发性的粒子会逐渐的释放出来,进而提高薄层的电阻,同时也会引起耐久性的问题。
 
在该项研究当中,一层金属卤化物,例如碘化亚铜,通过真空沉积的方法被置于碳纳米管的顶部或者底部,然后利用脉冲光辐射几百毫秒的脉冲持续时间以快速提高和降低薄膜的温度。这种处理工艺使得金属卤化物能够转移到薄膜的内部,产生一种透明的导电薄膜材料。采用由eDIPS法制备出的单壁碳纳米管最后得到的碳纳米管薄膜的薄层电阻为60欧/平方,同时具有85%的透明度(波长为550nm时的相对值,假定基础材质的透明度为100%)。利用这种方法制备的高透明和高导电薄膜是目前所有碳纳米管薄膜中透明性和导电性最好的。
 
利用脉冲光照射前后的碳纳米管薄膜的原子力学显微镜图像表明这种辐射作用引起了金属卤化物纳米颗粒的生长并且同时转移到了碳纳米管网状结构的内部。此外,在脉冲光照射之后,这些纳米颗粒主要分布于两个或者更多的碳纳米管之间的相互交叉处(如下图)。
 
材料与测试:具有长期稳定性的透明导电碳纳米管薄膜的制备方法

透明的导电碳纳米管薄膜的原子力学显微镜图像。
(a)不含有纳米颗粒的碳纳米管薄膜;(b)利用该研究中的技术制备的新型碳纳米管薄膜;(c)放大后的(b)
 
将制备出的薄膜在室温下置于露天环境中,测量其电导率随着时间变化而发生的改变,实验结果显示利用硝酸掺杂的传统碳纳米管薄膜在制备好后其薄层电阻立即迅速上升,并且随后会继续保持逐渐上升的趋势。相比之下,利用该研究中的技术制备的新型透明导电薄膜材料的薄层电阻在很长的一段时间内都能够保持稳定(如下图)。这主要是因为金属卤化物的纳米颗粒即使暴露在空气中也不会挥发,因此这种新型薄膜能够在长时间内保持性能稳定。这种新研发的薄层材料在保持导电性的长期稳定方面取得了巨大的进步,这在以前碳纳米管或者石墨烯的透明导电薄膜材料在实际应用中遇到的一个大问题。
 
材料与测试:具有长期稳定性的透明导电碳纳米管薄膜的制备方法

新研发的透明导电碳纳米管薄膜材料的薄层电阻随着时间的变化
 
未来计划:
该项目的研究人员计划接下来的研究目标主要集中在通过优化所选用的纳米颗粒材料的类型及性质和光学处理的工艺条件等方法达到进一步提高碳纳米管薄膜的导电性和透明性的研究目的。此外,他们还将研究利用湿法工艺生产这种薄膜材料,例如涂层和印刷等。他们进一步的目标是利用不同加工工艺,例如大规模的丝网印刷等,为碳纳米管薄膜的使用开发出除触摸屏以外的更为广泛的应用领域,例如作为传感器,太阳能电池以及可穿戴电子设备等。

 
译自:nanowerk
来源:材料与测试
译者:vince

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