高性能碳納米管透明導(dǎo)電薄膜研究取得重要進(jìn)展

透明導(dǎo)電薄膜是觸控屏、平板顯示器、光伏電池、有機(jī)發(fā)光二極管等電子和光電子器件的重要組成部件。氧化銦錫（ITO）是當(dāng)前應(yīng)用*為廣泛的透明導(dǎo)電薄膜材料，但I(xiàn)TO不具有柔性且銦資源稀缺，難以滿足柔性電子器件等的發(fā)展需求。單壁碳納米管（SWCNT）相互搭接形成的二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有柔韌、透明、導(dǎo)電等特點(diǎn)，是構(gòu)建柔性透明導(dǎo)電薄膜的理想材料。但已報(bào)道SWCNT薄膜的透明導(dǎo)電性能仍與ITO材料有較大差距。因此，進(jìn)一步提高SWCNT薄膜的透明導(dǎo)電特性是實(shí)現(xiàn)其器件應(yīng)用的關(guān)鍵。分析表明，SWCNT透明導(dǎo)電薄膜中的管間接觸電阻和管束聚集效應(yīng)是制約其性能提高的主要瓶頸。一方面，由于SWCNT之間的接觸面積小且存在肖特基勢(shì)壘，載流子在搭接處的隧穿效應(yīng)較弱，使得管間接觸電阻遠(yuǎn)高于SWCNT的自身電阻；另一方面，雖然SWCNT的直徑一般僅為1-2nm，但由于范德華力的作用其通常聚集成直徑幾十、上百納米的管束以降低表面能；管束內(nèi)部的SWCNT會(huì)吸光而降低薄膜的透光率，但對(duì)薄膜的電導(dǎo)幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)。因此，研制高性能SWCNT柔性透明導(dǎo)電薄膜的關(guān)鍵是獲得單根分散、低接觸電阻的SWCNT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

*近，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所與上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生蔣松在金屬所先進(jìn)炭材料研究部的導(dǎo)師指導(dǎo)下與合作者采用浮動(dòng)催化劑化學(xué)氣相沉積法制備出具有“碳焊”結(jié)構(gòu)、單根分散的SWCNT透明導(dǎo)電薄膜（圖1A）。通過(guò)控制SWCNT的形核濃度，所得薄膜中約85%的碳管以單根形式存在（圖1B），其余主要為由2-3根SWCNT構(gòu)成的小管束。進(jìn)而，通過(guò)調(diào)控反應(yīng)區(qū)內(nèi)的碳源濃度，在SWCNT網(wǎng)絡(luò)的交叉節(jié)點(diǎn)處形成了“碳焊”結(jié)構(gòu)（圖1A）。研究表明該碳焊結(jié)構(gòu)可使金屬性-半導(dǎo)體性SWCNT間的肖特基接觸轉(zhuǎn)變?yōu)榻鼩W姆接觸（圖1C-F），從而顯著降低管間接觸電阻。由于具有以上獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，所得SWCNT薄膜在90%透光率下的方塊電阻僅為41Ω □^-1；經(jīng)硝酸摻雜處理后，其方塊電阻進(jìn)一步降低至25Ω □^-1，比已報(bào)道碳納米管透明導(dǎo)電薄膜的性能提高2倍以上，并優(yōu)于柔性基底上的ITO（圖2A-B）。利用這種高性能SWCNT透明導(dǎo)電薄膜構(gòu)建了柔性有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）原型器件，其電流效率達(dá)到已報(bào)道SWCNT OLED器件*高值的7.5 倍（圖2C-D），并具有優(yōu)異的柔性和穩(wěn)定性。

本研究從SWCNT網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與調(diào)控出發(fā)，有效解決了限制其透明導(dǎo)電性能提高的關(guān)鍵問(wèn)題，獲得了具有優(yōu)異柔性和透明導(dǎo)電特性的SWCNT薄膜，可望推動(dòng)SWCNT在柔性電子及光電子器件中的實(shí)際應(yīng)用。主要研究結(jié)果于2018年5月4日在Science Advances在線發(fā)表（Sci. Adv. 4, eaap9264 (2018)，DOI: 10.1126/sciadv.aap9264）。該研究工作得到了科技部、基金委、中科院等部署的相關(guān)項(xiàng)目的支持。

圖1.單根分散、具有碳焊結(jié)構(gòu)的SWCNT網(wǎng)絡(luò)。（A）典型TEM照片；（B）單根SWCNT的百分含量統(tǒng)計(jì)；（C-D）無(wú)碳焊結(jié)構(gòu)的金屬性-半導(dǎo)體性SWCNT的I-V傳輸特性；（E-F）有碳焊結(jié)構(gòu)的金屬性-半導(dǎo)體性SWCNT的I-V傳輸特性。

圖2. SWCNT 柔性透明導(dǎo)電薄膜和SWNCT 有機(jī)發(fā)光二極管。（A-B）SWCNT 柔性透明導(dǎo)電薄膜的光學(xué)照片及其透明導(dǎo)電性能對(duì)比；（C-D）SWCNT 有機(jī)發(fā)光二極管原型器件的光學(xué)照片及其光電性能對(duì)比。

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