新型银基透明导电薄膜：有望应用于柔性电子领域

导读

近日，南丹麦大学的科研人员展示了一种大规模制造基于银纳米图案的新型透明导电电极薄膜的新方法。

背景

透明电极，广泛应用于信息显示、固体照明、光电转换等领域，例如智能手机触摸屏和平板电视都采用透明电极检测触摸，并迅速切换每个像素的颜色。

如今，透明电极大多数都是由氧化铟锡（ITO）制成。相对于玻璃而言，氧化铟锡具有高达92%的透明度。虽然ITO薄膜高度透明，但是它必须经过仔细地处理从而实现可重现的特性。此外，ITO 又硬又脆，遭受弯曲时容易破裂，不太适合柔性电子产品。

因此，研究人员正在寻找ITO的替代品。例如，笔者曾介绍过美国麻省理工学院开发的一种柔性透明有机太阳能电池，它就采用了石墨烯电极。

（图片来源：MIT）

透明导电薄膜也可以采用碳纳米管来制造，可是这些薄膜目前并不是对于所有的应用来说，都具有足够的导电能力，而且同样会受到表面粗糙度的影响，因为碳纳米管需要相互堆叠在一起。

（图片来源: Ying Zhou 和 Reiko Azumi）

此外，贵金属例如金、银、铂，具有防腐蚀的天性，也有望成为ITO的替代品。这些贵金属可以创造出持久且耐化学腐蚀的电极，配合柔性基底一起使用。然而，迄今为止，贵金属透明导电薄膜由于表面粗糙度高，导致薄膜与其他层之间的界面不够平，从而降低了它的性能。

创新

近日，南丹麦大学的科研人员展示了一种大规模制造基于银纳米图案的新型透明导电电极薄膜的新方法。

相比目前制造电极所采用的材料，银不易碎且更耐化学腐蚀。因此，对于应用于柔性屏幕和柔性电子产品来说，新型薄膜提供了一个高性能且持久耐用的选项。此外，基于银的薄膜也可应用于安装在窗户、屋顶甚至是个人设备上的柔性太阳能电池。

（图片来源: Jes Linnet, 南丹麦大学）

研究人员在发表于《Optical Materials Express》期刊的论文中，报告了在直径为10厘米的玻璃圆盘上制造这种透明导电薄膜的过程。基于与实验测量紧密匹配的理论评估，他们计算出薄膜电极比现有柔性显示屏和触摸屏使用的那些薄膜电极的表现要好很多。

技术

在新研究中，研究人员采用了一种称为“胶体光刻”（colloidal lithography）的方法来制造透明导电银薄膜。首先，他们通过将一层大小均匀、紧密排列的塑料纳米颗粒涂在10厘米的晶圆上，制造出掩模层或模板。然后，研究人员再将这些涂过的晶圆放置到等离子体炉中，均匀地缩小所有颗粒的尺寸。当他们将银薄膜沉积到掩模层上时，银会进入颗粒之间的空间。接下来，他们溶解颗粒，留下清晰的蜂巢状孔洞图案，让光线可以通过，制造出导电且光学透明的薄膜。

（图片来源: Jes Linnet, 南丹麦大学）

研究人员证明，他们的大规模制造方法可用于制造银透明电极，其透明度可达80%，同时保持低于每平方米10欧姆的表面电阻，大约是同等透明度的碳纳米管基薄膜的表面电阻的十分之一。电阻越低，电极传导电荷的性能就越好。

价值

论文的第一作者、南丹麦大学的 Jes Linnet 表示：“我们采用的制造方案是高度可复制的，并通过在透明度和导电性之间折衷调整创造出化学稳定的结构。这意味着如果一个设备需要透明度更高而导电性更低，可以通过在制作薄膜时改变其厚度来适应这一需求。”

Linnet 表示：“我们工作中最新颖的方面就是，我们采用与测量结果关联得很好的理论分析来考虑这种薄膜的透明性和导电性。制造问题通常会使得新材料难以获取理论上的最佳性能。我们决定报告我们在实验中遇到的情况，并假设补救措施，以便这种信息未来可用于避免或者最小化可能影响性能的情况。”

研究人员称，他们的研究表明，胶体光刻可用于制造化学稳定的透明导电薄膜，这种薄膜有望应用于一系列领域。

关键字

电极、柔性电子、可穿戴

参考资料

【1】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2018/transparent_conductive_films_promising_for_dev_(1)/

【2】Jes Linnet, Anders Runge Walther, Christian Wolff, Ole Albrektsen, N. Asger Mortensen, Jakob Kjelstrup-Hansen. Transparent and conductive electrodes by large-scale nano-structuring of noble metal thin-films. Optical Materials Express, 2018; 8 (7): 1733 DOI: 10.1364/OME.8.001733