柔性银纳米线透明电极制备及在电致变色器件中性能研究

来源 :郝婷婷 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Jesses41
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柔性透明电极作为下一代电子设备和光电产品(如柔性电池、可变形加热器、触摸屏和可穿戴传感器)的核心组件之一,成为科研人员研究的热点。透明电极中最常用的材料氧化铟锡(Indium tin oxide,ITO),其固有的脆性限制了在柔性电子产品领域的进一步应用。银纳米线(AgNWs)因具有高透过率、低薄层电阻和出色的柔韧性,已成为替代ITO电极的首选材料之一。但是,AgNWs透明电极在实际应用过程中还存在化学不稳定性(易氧化、易腐蚀)及与柔性基底的弯曲性粘附性较差、分层等缺陷。因此,制备化学性能稳定且弯折时具有循环稳定性的银纳米线透明电极是实现AgNWs在柔性电子产品中应用的关键技术。本论文提出对AgNWs表面进行基团修饰来提高电极的弯曲性和粘附性;以无定形碳保护层包覆AgNWs改善电极的化学稳定性;采用将WO3@AgNW核壳纳米线嵌入在高分子基底中的方式对电致变色层、导电层和基底进行集成,制备兼具优异光电性能和电致变色性能的可拉伸的银纳米线电极。同时,构筑了以银纳米线透明电极为基础的电致变色器件,探索银纳米线电极在电致变色领域的应用能力。采用Si(NH2)溶液对AgNWs的表面进行改性处理,以提高AgNWs与其他材料之间的粘附性,改善柔性透明电极在应用过程中的稳定性。研究表面改性的银纳米线电极(AgNW-Si(NH2)/PET),相较于最初的银纳米线电极,在光电性能和弯曲性粘附性方面的优势。研究发现,通过Si(NH2)溶液改性的AgNW-Si(NH2)/PET电极具有~83%的透过率和~10Ω/sq的方阻值,经过180°的弯曲5000次或者用3M胶带剥离100次,方阻相对变化率ΔR/R0分别为~3.6%和~6.0%,均优于原始的银纳米线电极。为了防止AgNWs的氧化,采用TiO2溶胶对AgNW-Si(NH2)/PET电极进行表面涂覆处理。系统研究Si(NH2)溶液的量和TiO2溶胶浓度对电极形貌结构、光电性能、弯曲性粘附性和老化稳定性的影响规律,并探究TiO2/AgNW-Si(NH2)/PET电极的作用机制。构筑基于TiO2/AgNW-Si(NH2)/PET电极的柔性电致变色薄膜及器件,并对薄膜和器件进行电致变色性能研究。薄膜的光调制范围为~76%,着色响应时间为9.9 s,褪色响应时间为5.8 s,着色效率为60.2 cm~2C-1。将薄膜弯曲5000次后,其光调制范围的保持率超过~94%(从~76%到~72%)。通过溶剂热法利用葡萄糖在一定溶剂热温度下碳化,合成出化学稳定性良好的AgNW-C核壳纳米线。系统研究反应时间、反应温度和葡萄糖浓度对AgNW-C/PET电极的形貌结构、光电性能、老化稳定性和弯曲性粘附性的影响规律,揭示AgNW-C核壳纳米线的形成及作用机制。AgNW-C/PET电极在空气中搁置100天,其方阻相对变化率ΔR/R0为~19.7%;同时,碳壳层表面大量羟基的存在可提高AgNWs对基底的粘附性。AgNW-C/PET电极在经过2000次弯曲后,ΔR/R0为~2.7%;经过3M胶带100次剥离,ΔR/R0为~40%。制备WO3/AgNW-C/PET电致变色薄膜,并对其电致变色性能进行研究。WO3/AgNW-C/PET薄膜在200次循环后光调制范围为~72%,保持率超过~95%。柔性电子器件的实际应用中,严重的分层问题一直是柔性器件必须面对和克服的核心关键。为此,通过水热法设计合成了WO3@AgNW核壳纳米线嵌入在PDMS基底的柔性电极,实现对电致变色层、导电层和基底层的集成,制备兼具光电性能和电致变色性能的嵌入式WO3@AgNW-PrePDMS可拉伸一体化电极。通过研究反应时间对合成的WO3@AgNW核壳纳米线的形貌结构的影响规律,探究WO3@AgNW核壳纳米线的形成机理。进一步对可拉伸WO3@AgNW-PrePDMS电极的光电性能和电致变色性能进行研究,电极在经过弯曲20,000次和拉伸1000次,方阻变化率ΔR/R0分别为~8.3%和~14%;在经过长期电致变色循环后,光调制范围的保持率为~95%;经过弯曲2000次后,光调制范围保持率为~94%。构筑了WO3@AgNW-PrePDMS柔性可穿戴电致变色器件,并对其性能进行研究。该器件进行200次拉伸后,电致变色循环测试中光调制范围保持率超过了~98%。嵌入式结构的WO3@AgNW核-壳纳米线电极具有成为未来可穿戴设备的潜质。
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