银纳米材料及其导电薄膜的制备与性能研究

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银纳米材料兼具金属银和纳米材料的独特结构和优异性能,拥有独特电学、光学、热学、催化等特性,在薄膜电极、催化剂、传感器、抗菌杀菌等诸多领域展现出广阔的应用前景。银纳米线、银纳米颗粒等银纳米材料及其导电薄膜是显示、太阳能电池、加热器等光电器件电极的关键材料。目前,银纳米材料的制备存在收得率低、杂质含量高、工艺稳定性差等问题,严重制约着银纳米材料在相关领域的应用。优化银纳米材料制备技术,发展导电薄膜制备新技术,调控光电性能,已成为光电器件电极领域的研究热点。本文在综合论述银纳米材料及银导电薄膜制备与应用的基础上,采用多元醇法合成了银纳米线和银纳米颗粒,同时配制了无颗粒型纳米银墨水,并以此银纳米线、银纳米颗粒和无颗粒型纳米银墨水为原料分别制备透明导电薄膜、致密导电薄膜及图案化导电薄膜等三种银导电薄膜,分析了合成工艺参数对银纳米材料形貌及尺寸的影响规律,阐明了涂膜工艺及后处理技术对导电薄膜的光电性能、表面粗糙度等特性的影响规律,制备出高性能的透明导电薄膜、致密导电薄膜及图案化导电薄膜,为其在光电器件电极领域的应用奠定重要基础。具体研究内容及结果如下:(1)银纳米线的可控合成及透明导电薄膜制备。以硝酸银为银源,乙二醇或混合一缩二乙二醇、二缩三乙二醇、丙三醇等其它多元醇为溶剂及还原剂,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为异向生长控制剂,三氯化铁和/或混合溴化钠溶液为主要离子助剂,利用多元醇法制备了银纳米线分散液,通过优化合成工艺参数及助剂成分,分别制备出长径比高达1029的银纳米线和超细(<20 nm)的银纳米线;通过控制水热反应时间,可制备超长(>120μm)的银纳米线;借助低速离心和丙酮沉降工艺进行银纳米线产物的纯化,获得银的质量占比97%以上、固含量10 mg·mL-1的银纳米线分散液,并实现10100倍的量产。采用旋涂法结合烧结技术制备得到透光率为81.6%、方块电阻为11.36Ω·sq-1的透明导电薄膜。(2)银纳米颗粒的合成及致密导电薄膜制备。探究了水体系、甲苯体系、含氟溶剂体系、乙二醇体系等体系制备银纳米颗粒过程,研究了不同体系下银纳米颗粒产物的形貌特点。在乙二醇体系下,可以制备平均粒径为43 nm、粒径分布均匀的银纳米颗粒。以银纳米颗粒的乙醇分散液为原料,经浸渍涂布法结合快速烧结制备致密导电薄膜,在500μm·s-1的提拉速度下浸渍镀膜40次后,可制备出表面形貌良好(厚度1.97μm,粗糙度约2 nm)的导电薄膜,进一步在500 W功率下微波烧结50 s后,获得致密导电薄膜,其方块电阻仅为0.75Ω·sq-1,表面粗糙度1 nm。(3)图案化导电薄膜的激光直写制备及转印。以硝酸银为银源、乙醇和少量去离子水为溶剂、FSO-100为主要的表面活性剂、PVP为黏度调节剂和表面活性剂,配制了无颗粒型银纳米墨水,采用激光直写技术制备图案化导电薄膜。当激光功率为3 W、扫描速度为2.6 cm·s-1时,可制备得到方块电阻为0.9Ω·sq-1的图案化导电薄膜。与氧化锌和金复合后,图案化导电薄膜的功函数(4.25 eV)可分别调节至2.98和4.44 eV。通过激光直写与树脂转印相结合,可获得表面平整(表面粗糙度为4.2 nm)的图案化导电薄膜。
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