高长径比银纳米线的可控合成及其网络状柔性电极的应用

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随着触摸屏、智能设备及太阳能薄膜电池等领域的迅速发展,透明电极的需求量也随之不断地攀升。。现如今在透明电极领域使用最广泛的材料是锡掺杂的氧化铟,也就是俗称的ITO。因为使用的In为稀有元素,且制作工艺复杂,导致其成本不断攀升。另外ITO本身具有的陶瓷脆性进一步限制了它在柔性可弯曲方面的使用。因此研发新型低成本透明电极是重要发展趋势。目前最能引起人们兴趣的柔性透明电极主要包括以下五种:导电聚合物、金属网格、碳纳米管、石墨烯以及金属纳米线。它们各自有自己的优缺点,然而金属纳米线因为兼具金属网格良好的导电性和纳米材料可分散在溶液中达到降低印刷成本的优点而成为本课题的研究对象。在金属纳米线的选择上,银纳米线(Ag NWs)因为在性价比上具有综合优势且不易被氧化,成为柔性透明电极的最佳选择。制备高性能Ag NWs透明电极的基础和前提是合成高长径比的Ag NWs,然而目前的合成方法中仍存在工艺繁琐、墨水分散性差、产量不高、直径较大以及长径比较小等限制其实际应用的因素。因此本论文重点研究了高长径比Ag NWs的可控合成,Ag NWs墨水的优化与分散,并以此制备了高性能的Ag NWs柔性电极,以及将其应用于感知距离与压力变化的电容式传感器。主要研究内容如下:1、高长径比(高达1000以上)Ag NWs的多元醇法合成首先研究了溶剂乙二醇、生长抑制剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、离子助剂(Cu Cl2),溶剂中氧含量等对纳米晶种的还原以及对银纳米线生长的影响。在此基础上,采用多次在丙酮中沉降的方式除去墨水中残余的纳米颗粒,大大的提高了墨水中Ag NWs的纯度。最后,采用丙酮和乙醇多次清洗祛除大部分包覆在纳米线表面的聚乙烯吡咯烷酮(PVP),可以极大地提高Ag NWs的导电性。2、Ag NWs墨水的优化乙醇溶液是目前Ag NWs最常用的分散剂,然而由于乙醇的低沸点和易燃性,使得其在大面积涂布成膜时存在着极大的安全隐患。我们选用廉价且性能稳定的水做分散剂,并且添加适量的表面活性剂聚四氟表面活性剂(Zonyl@FSO)及粘结剂聚甲基丙基纤维素(HPMC)以改善受水的强极性影响的墨水的涂布效果。但是引入添加剂导致的纳米线表面的有机物残留,显著地增大了薄膜电阻。因此在后期我们对透明薄膜用硼氢化钠进行还原处理以降低薄膜电阻。3、基于Ag NWs的柔性双功能传感器的制备使用优化后的Ag NWs墨水,我们制备了一种透明的,矩阵结构的柔性电极并测量了其光学、电学和力学特性。该电极由独立的电容像素点提供的,出色的多点空间分辨性能使其能够快速地、稳定地、可重复地实现对接近物体的位置以及施加压力大小的精准识别。这些优良的特性足可以实现其在智能显示和未来终端等方面的运用。
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