银纳米线透明导电膜

目录

1 课题背景 (1)

2 国内外研究进展 (2)

2.1 银纳米线的制备 (2)

2.1.1 银纳米线的制备状况 (3)

2.1.2 银纳米线的生长机理 (4)

2.2 银纳米线透明导电膜的制备 (6)

2.2.1 银纳米线薄膜制备 (6)

2.2.2 后处理工艺 (8)

2.2.3 渗透理论 (11)

2.3 银纳米线透明导电膜的应用 (12)

2.3.1 太阳能电池 (13)

2.3.2 透明加热器 (13)

2.3.3 触摸屏 (13)

2.3.4 显示器 (13)

3 展望 (13)

4 参考文献 (15)

1.课题背景

高导电性和高透光性的透明导电膜对于各种电子器件的性能是很有必要的。具有透明导电膜的光电子器件在我们日常生活中被广泛使用，如触摸面板和液晶显示器。透明导电氧化物通常在这些光电子器件中用作电极[1]。在电子工业中最常用的导电氧化物是氧化铟锡（ITO）[2]，它具有优异的光学透明度和低表面电阻，极大地拓宽了其在光电器件中的用途[3]，例如太阳能电池[4]、触摸屏[5]和平板显示器[6]。然而，ITO也有一些固有的缺点，例如沉积工艺需要高的真空度[7]，沉积温度比较高[8]，相对高的生产成本[9]和易脆的属性[10]。随着电子设备需求的快速增长和具有新特性设备的发展，例如柔性显示器[11]，柔性触摸面板[12]，柔性太阳能电池[13]，柔性晶体管[14]和柔性超级电容器[15]等，ITO不能满足这些要求。因此，一些研究者们已经深入研究了新的透明导电材料以替代ITO。

理想的能替代ITO的材料应该成本低，适应各种基底，且方便制备。最近研究了一些能替代ITO的材料，比如银纳米线[16]、碳纳米管[17]、石墨烯[18]、铝掺杂的氧化锌[19]和导电聚合物[20]。通常，透明导电膜应能够满足广泛不同应用的性能要求。例如，光学烟雾有益于太阳能电池但对触摸面板有害；触摸屏需要的薄层电阻在50-300 Ω/sq 的范围内。然而，太阳能电池薄层电阻应小于10 Ω/sq[21,22]。表1总结了各种透明导电膜的性质和制备方法[23]。

表1各种透明导电膜的性质和制备方法

含碳的透明导电膜主要包括碳纳米管和石墨烯。由于碳纳米管具有高导电性，高

导热性，高机械强度和良好的化学稳定性[24]，具有广泛的应用，包括太阳能电池[25,26]，发光二极管[27]和触摸面板[28]。实际上，由于碳纳米管的大量集束和大的接触电阻，碳纳米管透明导电膜的薄层电阻通常远大于ITO[29]。石墨烯具有高费米速度和高固有面内导电率的优点[30,31]，石墨烯制备技术的进展已经能够在小面积中合成高性能石墨烯膜。石墨烯膜的透明度可以高达95%，薄层电阻在200-1000 Ω/sq[32,33]的范围内。增加石墨烯片层的厚度可以改善导电性[34]，但同时降低透明度。化学气相沉积法已用于生长大面积石墨烯膜。然而，在工艺中高达1000℃的高温可能导致高的生产成本[35,36]。溶液合成的石墨烯作为透明导电膜薄层电阻比较大。

近十年来，金属纳米结构由于其独特的光电性质和在透明导电膜中的潜在应用已经引起了的关注。主要的金属纳米结构包括金属薄膜、金属纳米网和金属纳米线网络。当金属厚度低于10nm时[37]，可以变得更透明。然而，由于表面电子散射效应，当厚度减小时，薄层电阻将急剧增加[38]。当线宽接近亚波长并且网格的周期为亚微米尺度时，金属纳米网格的薄层电阻可接近大块金属[39,40]。然而，金属纳米网格的表面的粗糙度可能限制它在触摸屏中的应用。最近，各种金属纳米线网络已经被研究了，例如铜、金、银纳米线网络，它们很有希望替代ITO。金属纳米线网络透明导电膜，特别是银纳米线透明导电膜的总体性能已经超过ITO的性能，并且被认为是ITO的最有希望的替代品。

包含不同材料的组合透明导电膜也已经被研究了[41,42]，以获得良好的性能。碳纳米管可以与石墨烯组合，它将提供更可能的路径以改善电光特性。PEDOT：PSS可以与碳纳米管、石墨烯和银纳米线结合，这将降低接触电阻，增加稳定性[43-45]。碳纳米管和银纳米线可以用金和银纳米颗粒修饰，以降低接触电阻，从而提高导电性[46-48]。

本课题报告简述了银纳米线的制备及生长机理、银纳米线透明导电膜的制备及渗透理论。最后介绍了银纳米线透明导电膜的应用及展望。

2.国内外研究进展

2.1银纳米线的制备

有多种制备银纳米线的方法，如多元醇法[49-51]，水热法[52,53]，微波辅助法[54,55]，紫外线照射技术[56,57]和模板法[58,59]等。在这些方法中，多元醇法是最有希望的合成方法，它具有良好的再现性和低成本的优点。加入几种盐，如NaCl[60]、FeCl3、CuCl2、PbCl2和AgCl，可用于银纳米线的大规模合成。用这些方法获得的银纳米线大部分具

有几十纳米的直径，几十微米的长度，以及50-500范围内的纵横比。最近，一些研究人员已经通过一步或多步方法制造了长度大于100 μm和长宽比在1000-3000范围内的非常长的银纳米线[61]。

2.1.1银纳米线的制备状况

（1）醇热法

醇热法制备银纳米线通常是指在分散剂存在的情况下，向体系中引入晶种，用多元醇还原Ag+的方法。最常见的醇热法体系以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为分散剂，以硝酸银为银源，以乙二醇（EG）为溶剂和还原剂，以银纳米粒子、金纳米粒子为晶种，或者引入PtCl2、NaCl、CuCl2形成晶种，反应温度常在150℃到200℃之间。

醇热法是目前最常用，也是最成熟的制备银纳米线的方法之一。很多科学工作者在此基础上根据需要进行了相应的改进。Jin Hwan Lee 等[62]以醇热法为基础，通过连续多步反应，制备出直径小于150 nm，长度大于300 μm，长径比高达1000～3000 的超长银纳米线。Gou 等[63]则将醇热法由常用的油浴体系转换到微波体系中，使反应时间由1～2 h 缩短为3～5 min，大幅度提高了反应效率，减少了操作步骤，使银纳米线的制备非常高效快捷。Tian Zhao等[64]通过调节体系中Na2S 的量，在微波体系中分别用20 s和1.5 min合成出纳米粒方块以及平均直径为80 nm的银纳米线。而Chen 等[65]则通过调节反应体系中Na2S 的添加量，成功的控制了反应产物中银纳米线的直径。（2）光还原法

光还原法的原理是利用光照产生的自由基基团将Ag+还原成Ag。Subrata Kundu 等[66]以平均尺寸约5 nm的金纳米粒子为晶种，以聚乙烯醇（PV A）为成核和生长模板，在紫外光照下，8 min内快速合成出长度10～20 μm，直径135±20 nm 的银纳米线。其本质是紫外辐射引发了聚乙烯醇分子链上的羟基产生自由基，将分子链上的Ag+还原成Ag0，通过奥斯瓦尔德熟化生长成银纳米线。Zou等[67]用波长为253.7 nm的紫外光照射反应液，在室温下制备出直径在35～120 nm之间，长度高达50 μm的超长银纳米线。光还原法实验体系简洁，无复杂反应条件，在室温下即可进行。

（3）水热法

水热法与醇热法反应原理比较接近，都是在分散剂存在的情况下，用某种还原剂将Ag+还原成Ag0。分散剂选择性的吸附在Ag的某些晶面上，使Ag+与没有被分散剂包覆的晶面接触，通过晶粒的各向异性生长，最终得到银纳米线。不同的是，醇热法