Scientific Reports:極易摺疊且高度透明的納米纖維電極

2020-12-06 易絲幫

近年來，柔性透明電極在許多可穿戴光電器件中引起了極大的關注。可摺疊透明電極具有光學透明性，低電阻和高水平的極端彎曲韌性，且不會顯著降低其電性能。通常，電阻率和光學透射率遵循相反的趨勢。因此，實現電阻率和光學透射率之間的最佳平衡，以獲得高導電透明電極是一大挑戰。傳統上，商業氧化銦錫（ITO）電極已廣泛用於透明導電光電器件。然而，在柔性電子應用中仍然存在一些缺點，例如銦的稀缺性，製造加工的高成本以及它們的機械脆性，這促使研究替代材料以替代下一代的ITO電極-光電柔性器件。到目前為止，幾種有前途的柔性透明電極材料，如導電聚合物、碳納米管（CNT）、石墨烯、金屬納米線、金屬納米網絡及其雜化材料，被用於製造具有低電阻和高柔韌性的高透明和柔性電極。然而，用作柔性基材的大多數透明薄膜是聚合物基薄膜，它們不是極易摺疊的，因此受限於最終的摺疊條件。銀納米線（AgNWs）是最有前途的透明導電電極材料之一，因為它們具有低電阻、良好的光學透明性和高機械柔韌性。

近日，研究人員將纖維基透明基材的醋酸纖維素（NF-r-CA）納米纖維膜用於開發具有優異耐久性和極易摺疊性的高透明電極，其中，AgNWs使NF-r-CA膜的機械性能得到極大改善。此外，NF-r-CA透明薄膜比初紡尼龍6納米纖維膜具有更光滑的表面形貌（RRMS~27nm）。AgNWs濃度為0.025wt％和靜電紡絲時間為45min製備的NF45-r-CA電極是高度透明的（~90％），具有較低的薄層電阻（~24Ω平方-1）和較高的機械強度（59.7MPa）。NF45-r-CA電極的薄層電阻幾乎保持不變，即使經過10,000次循環（彎曲半徑~1mm）的反覆彎曲試驗後，變化率也小於0.01％，而ITO電極的薄層電阻逐漸增加，最終在大約270個周期沒有電信號。此外，高度透明的NF45-r-CA電極成功構建可摺疊的聚合物分散液晶薄膜，在極端彎曲半徑為1.5mm的500次循環的彎曲試驗後表現出優異的穩定性。相關研究成果發表於：Scientific Reports，2018，8, 11517

圖1高度透明的納米纖維電極的製造過程示意圖。(a)高度透明的納米纖維電極的製備工藝步驟。(b)純CA膜和不同納米纖維含量NF-r-CA膜（NF15-r-CA，NF30-r-CA和NF45-r-CA膜）的應力-應變曲線和(c)光學透射率。

圖2初紡尼龍6納米纖維膜、NF45-r-CA膜和AgNWs塗覆的透明NF45-r-CA電極的(a-c)FE-SEM和(d-f)AFM圖像。(g-i)不同AgNW濃度的NF45-r-CA透明電極的表面形貌（g：0.025％，h：0.05％，i：0.1％）和光學透射率（j）。(k)ITO和NF45-r-CA電極的彎曲半徑的函數於薄層電阻的相對變化。(l)NF45-r-CA電極的重複彎曲試驗，在極端彎曲半徑為1mm的情況下進行10,000次循環。

圖3基於ITO和NF45-r-CA電極的PDLC薄膜的比較。(a)基於NF45-r-CA的PDLC膜的不透明和透明狀態的示意圖。(b)NF45-r-CAPDLC薄膜在Voff（施加電壓~0Vrms）和Von（施加電壓~24.24Vrms）下捲起的照片。(c)在Voff和Von處的ITO和NF-r-CAPDLC的PDLC膜的POM圖像。(d-e)ITO和NF45-r-CA電極在極端彎曲半徑為1.5mm的反覆彎曲試驗前後對比圖。(f)在重複彎曲試驗（50,100,200,300,400和500次循環）後，在施加電壓（24.24Vrms）下ITO和NF-r-CAPDLC基PDLC膜的相對透射率變化。

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