高性能碳納米管透明導電薄膜研究取得進展

2020-12-05 紡織導報

高性能碳納米管透明導電薄膜研究取得進展

發表時間：2018/5/16

透明導電薄膜是觸控屏、平板顯示器、光伏電池、有機發光二極體等電子和光電子器件的重要組成部件。氧化銦錫（ITO）是當前應用最為廣泛的透明導電薄膜材料，但ITO不具有柔性且銦資源稀缺，難以滿足柔性電子器件等的發展需求。單壁碳納米管（SWCNT）相互搭接形成的二維網絡結構具有柔韌、透明、導電等特點，是構建柔性透明導電薄膜的理想材料。但已報導SWCNT薄膜的透明導電性能仍與ITO材料有較大差距。



因此，進一步提高SWCNT薄膜的透明導電特性是實現其器件應用的關鍵。分析表明，SWCNT透明導電薄膜中的管間接觸電阻和管束聚集效應是制約其性能提高的主要瓶頸。一方面，由於SWCNT之間的接觸面積小且存在肖特基勢壘，載流子在搭接處的隧穿效應較弱，使得管間接觸電阻遠高於SWCNT的自身電阻；另一方面，雖然SWCNT的直徑一般僅為1～2nm，但由於範德華力的作用，其通常聚集成直徑幾十、上百納米的管束以降低表面能；管束內部的SWCNT會吸光而降低薄膜的透光率，但對薄膜的電導幾乎沒有貢獻。因此，研製高性能SWCNT柔性透明導電薄膜的關鍵是獲得單根分散、低接觸電阻的SWCNT網絡結構。



最近，中國科學院金屬研究所與上海科技大學物質學院研究團隊採用浮動催化劑化學氣相沉積法製備出具有「碳焊」結構、單根分散的SWCNT透明導電薄膜。通過控制SWCNT的形核濃度，所得薄膜中約85%的碳管以單根形式存在，其餘主要為由2～3根SWCNT構成的小管束。進而，通過調控反應區內的碳源濃度，在SWCNT網絡的交叉節點處形成了「碳焊」結構。


圖為單根分散、具有碳焊結構的SWCNT網絡。其中，（A）為典型TEM照片；（B）為單根SWCNT的百分含量統計；（C-D）為無碳焊結構的金屬性-半導體性SWCNT的I-V傳輸特性；（E-F）為有碳焊結構的金屬性-半導體性SWCNT的I-V傳輸特性。


研究表明，該碳焊結構可使金屬性-半導體性SWCNT間的肖特基接觸轉變為近歐姆接觸，從而顯著降低管間接觸電阻。由於具有以上獨特的結構特徵，所得SWCNT薄膜在90%透光率下的方塊電阻僅為41Ω/□；經硝酸摻雜處理後，其方塊電阻進一步降低至25Ω/□，比已報導碳納米管透明導電薄膜的性能提高2倍以上，並優於柔性基底上的ITO。利用這種高性能SWCNT透明導電薄膜構建的柔性有機發光二極體（OLED）原型器件，其電流效率達到已報導SWCNT OLED器件最高值的7.5 倍，並具有優異的柔性和穩定性。


圖為SWCNT 柔性透明導電薄膜和SWNCT 有機發光二極體。其中，（A-B）為SWCNT 柔性透明導電薄膜的光學照片及其透明導電性能對比；（C-D）為SWCNT 有機發光二極體原型器件的光學照片及其光電性能對比。


該研究從SWCNT網絡結構的設計與調控出發，有效解地決了限制其透明導電性能提高的關鍵問題，獲得了具有優異柔性和透明導電特性的SWCNT薄膜，可望推動SWCNT在柔性電子及光電子器件中的實際應用。主要研究結果近期發表在Science Advances上。

（來源：中國科學院金屬研究所）

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