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《东北师范大学》 2017年
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电纺模板法制备银/铜网络透明电极及其物性研究

李鹏  
【摘要】:透明导电材料既导电又允许可见光通过,广泛应用于太阳能电池、触摸屏、电加热玻璃等方面。目前,市场上使用的透明导电材料主要是以氧化铟掺锡(ITO)为代表的传统金属氧化物。但是ITO具有材料成本高、面电阻大、脆性等缺点,因此人们迫切寻找其替代材料。在众多候选材料当中,利用模板法制备的金属网络凭借宽光谱高透过率和高电导率的优点成为最有希望替代ITO的透明导电材料之一。近年来,以静电纺丝(简称“电纺”)技术制备的纳米纤维为模板,通过物理沉积方式在模板上沉积金属而获得的金属纳米线网络凭借可转移、长径比大、接触电阻小等优势成为了透明导电材料领域的研究热点。但是,金属网络存在着稳定性差、电加热性质和机械稳定性需要改善、不易低成本大面积制备等问题。基于此,本文以电纺纳米纤维模板法制备的银/铜网络为研究对象,利用原子层沉积技术在金属线外包覆氧化铝,提高了银/铜网络的抗氧化能力和安培容量;借助有序银网络与石墨烯复合结构,获得了透明度高、操作电压低、耐弯折能力强的透明电加热器;探索了利用低成本的无电沉积技术制备银网络的方法。具体研究内容包括:1.透明电极应同时具有高透过率和低面电阻。本文以自支撑的电纺纳米纤维网络为模板,通过调节电纺纤维直径和密度与蒸镀金属厚度实现了金属网络透过率和电导率的有效调控。通过改变金属网络覆盖度的方式实现了对雾度的调控。研究结果表明增加金属的厚度可以在几乎不牺牲透过率的情况下获得高的电导率,例如,以400 nm铜代替100 nm银,在相同透过率状态下,面电阻下降为原来的十分之一。2.稳定性是影响金属网络寿命的决定性因素。本文利用原子层沉积技术可以在不平整表面低温生长超薄氧化物膜的特点,采用原子层沉积在铜线外包覆了超薄的氧化铝壳层,利用氧化铝隔绝铜与氧分子的接触,将铜网络的耐受温度提高到300℃,同时氧化铝薄膜可以抑制铜原子在外加大电流作用下迁移而造成的晶粒表面收缩现象,从而避免铜线断裂。3.透明电加热器需要能在低操作电压下使衬底达到理想的稳态温度。本文从电加热原理角度出发,运用透明导电材料的热响应与其光电性质的理论关系,优化设计了节能的电加热材料。通过对比研究随机银网络、有序银网络和石墨烯-有序银网络的电加热特性,证明有序银网络凭借线交联少和覆盖度低的优势,适合用做低操作电压和高透明度的电加热器。由于石墨烯与空气对流传热系数小、热导率高,因此可以降低焦耳热损耗和加速热扩散,从而提高有序银网络加热器的稳态温度和热分布均匀性。此外,石墨烯能够增强弯折状态下有序银线的抗张强度并为其提供导电通道。4.利用电纺模板法实现低成本大面积制备金属网络的关键是利用溶液法代替物理方式沉积金属。本文采用粗糙的铜箔代替常用的金属框作为电纺收集装置,利用粗糙铜箔极板表面电场分布均匀、与纤维接触作用力弱的特点,收集到大面积均匀且易于转移的纳米纤维网络。利用银镜反应代替物理沉积,采用疏水的PDMS作为衬底以抑制银在衬底表面沉积,并在纤维模板表面预沉积银颗粒作为种子层以降低银在模板上成核的势垒,实现了利用溶液法制备银网络,获得了在可见光区透过率为80%,面电阻为9.5ohm/sq的银网络透明电极。
【学位授予单位】:东北师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O441

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