可印刷透明導(dǎo)電薄膜及其柔性電子器件應(yīng)用

印刷電子技術(shù)是一項(xiàng)通過(guò)印刷方式實(shí)現(xiàn)光電子器件制備的技術(shù)，在開(kāi)發(fā)低成本、大面積、柔性化光電器件方面展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)。作為光電子器件的關(guān)鍵部件，透明導(dǎo)電薄膜至關(guān)重要，廣泛應(yīng)用于信息顯示、固體照明、光電轉(zhuǎn)換等光電子產(chǎn)品（例如，有機(jī)發(fā)光二極管、觸摸屏、電子書、電子紙、有機(jī)太陽(yáng)電池等）。氧化銦錫（ITO）是目前使用*廣泛的透明導(dǎo)電薄膜。通常采用磁控濺射、真空蒸鍍等方式制膜，工藝復(fù)雜、條件苛刻，而且面臨資源稀缺、生產(chǎn)成本高等問(wèn)題。特別是，近年來(lái)隨著柔性電子的快速發(fā)展，對(duì)透明電極提出了新的要求，如高柔性、輕薄便攜等；ITO質(zhì)脆易折極大限制了其更廣泛應(yīng)用。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新型透明導(dǎo)電薄膜并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單快速大面積低成本制備凸顯為亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題。將印刷電子技術(shù)與新型透明導(dǎo)電材料（例如，銀納米線、銀網(wǎng)格、石墨烯、碳納米管、導(dǎo)電聚合物等）相結(jié)合，可為低成本、大面積、柔性化透明導(dǎo)電薄膜的制備提供新的解決方案。*近，南京郵電大學(xué)黃維院士、賴文勇教授團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)總結(jié)了近年來(lái)印刷電子技術(shù)在發(fā)展透明導(dǎo)電薄膜方面的*新研究進(jìn)展。作者以柔性電子器件應(yīng)用為導(dǎo)向，分析了印刷方式制備低成本、大面積、柔性化透明導(dǎo)電薄膜的重要性，隨后從印刷墨水的配制、基底處理、圖案化過(guò)程、后處理以及典型應(yīng)用等幾個(gè)方面對(duì)透明導(dǎo)電薄膜進(jìn)行了介紹，并對(duì)可印刷透明導(dǎo)電薄膜的機(jī)遇與挑戰(zhàn)進(jìn)行了討論。論文**作者為南京郵電大學(xué)青年教師李東東博士，該文章發(fā)表在Advanced Materials（影響因子：19.791）。

通過(guò)印刷方式制備透明導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電墨水的配制是關(guān)鍵的一步。墨水的化學(xué)組成及其物理性能（如粘度和表面張力）對(duì)于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量高精度印刷非常重要。盡管不同的印刷技術(shù)需要各不同的墨水流變特性，然而理想的導(dǎo)電墨水通常需具備以下特點(diǎn)：易于制備、價(jià)格便宜、分散穩(wěn)定性好以及電導(dǎo)率高等。本文分別從墨水的組成和墨滴的形成兩個(gè)方面對(duì)新型導(dǎo)電墨水的配制和印刷質(zhì)量的提高進(jìn)行了說(shuō)明（圖1為幾種典型的導(dǎo)電墨水）。

配制了可印刷的墨水之后，即可通過(guò)印刷方式在不同基底上制備透明導(dǎo)電薄膜。但通常導(dǎo)電墨水與基底之間的兼容性較差，所制備的透明導(dǎo)電薄膜在印刷分辨率和基底粘附性方面還不能滿足器件應(yīng)用的要求。為此，作者分別從印刷分辨率的調(diào)節(jié)與基底粘附性的改善兩個(gè)方面對(duì)透明導(dǎo)電薄膜基底的處理過(guò)程進(jìn)行了討論（圖2為基底溫度對(duì)印刷分辨率的影響）。隨后，作者對(duì)幾種典型導(dǎo)電材料（銀納米線、銀納米顆粒、石墨烯、碳納米管、導(dǎo)電聚合物）的固有性質(zhì)及其相適應(yīng)的印刷方式進(jìn)行了詳細(xì)介紹（圖3為銀納米線的印刷方式舉例說(shuō)明）。

通過(guò)印刷過(guò)程制備的透明導(dǎo)電薄膜，往往存在表面粗糙度高、電導(dǎo)率低、基底粘附性差等問(wèn)題，會(huì)極大地限制其器件應(yīng)用。因此，后處理過(guò)程必不可少。作者隨后從薄膜的燒結(jié)、薄膜轉(zhuǎn)移以及復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建等角度作了討論，為以上問(wèn)題提供了可能的解決方案（圖4列出了幾種復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建過(guò)程）。作為新型的導(dǎo)電材料，銀納米線、金屬網(wǎng)格、石墨烯、碳納米管、導(dǎo)電聚合物可提供與ITO相比擬的光電性能。更為重要的是，其柔性化與可溶液加工的優(yōu)勢(shì)被視為進(jìn)一步商業(yè)化的主要驅(qū)動(dòng)力。通過(guò)結(jié)合不同的印刷電子技術(shù)，可進(jìn)一步發(fā)揮新型透明導(dǎo)電薄膜的大面積、低成本、連續(xù)性批量化生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)。基于此，作者隨后通過(guò)舉例概述了透明導(dǎo)電薄膜在太陽(yáng)電池、有機(jī)發(fā)光器件、觸摸屏等方面的典型應(yīng)用（圖5為典型示例），并討論了印刷過(guò)程中存在的問(wèn)題。

圖1. (a)石墨烯墨水，(b) 還原氧化石墨烯墨水；(c)單壁碳納米管墨水，(d) 熱處理和鹽酸浸泡后的單壁碳納米管；(e,f)銀納米線墨水；(g) 活性銀墨水，(h) 印刷在硅襯底上的一維導(dǎo)電銀線陣列；(i) 分散在去離子水和異丙醇中的銀納米線沉降過(guò)程。

圖2. (a-f)不同基底溫度下印刷的納米銀線圖案（基底為憎水性氟碳涂覆的硅襯底）；(g-i)不同基底溫度下印刷的納米銀線圖案（基底為聚酰亞胺），(j-m)不同溫度下墨滴的形貌。

圖3. (a) 絲網(wǎng)印刷過(guò)程， (b)絲網(wǎng)印刷的銀納米線圖案；(c, d)噴墨打印的銀納米線網(wǎng)絡(luò)；(e)銀納米線陣列在毛細(xì)管印刷過(guò)程中的線性化過(guò)程，(f) 不同方向銀納米線結(jié)構(gòu)的暗場(chǎng)光學(xué)照片。

圖4.(a,b) 石墨烯與金屬納米線復(fù)合薄膜的卷對(duì)卷印刷過(guò)程及其器件，(c, d) PEDOT:PSS/Ag網(wǎng)格復(fù)合透明導(dǎo)電薄膜及相應(yīng)的超級(jí)電容器。

圖5. 可印刷透明導(dǎo)電薄膜幾種典型的應(yīng)用 (a-c) 太陽(yáng)電池器件，(d-f)有機(jī)發(fā)光器件，(g-i) 觸摸屏。

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