本发明涉及材料,特别是涉及一种透明导电薄膜的制备方法。
背景技术:
1、在当今世界,透明导体的应用已非常普遍。透明导电薄膜(transparentconductive film,简称tcf)广泛应用在现代电子设备中。目前,制造tcf的主要材料是氧化铟锡(indium tin oxide,简称ito),其具有优异的透明导电性。ito在近百年的研究过程中形成了完整的产业链。然而,由于铟是不可再生资源,随着需求的不断增长,ito的成本近年来急剧上升。并且,ito固有的脆性和较高的面密度更是使其难以应用在日渐发展的柔性可穿戴器件和航空航天等领域。此外,ito采用磁控溅射等方法在基材上制备,无法实现自支撑(这使其在一些尖端的应用中受限,如辐射热光探测器、热声扬声器),并且制备面积受限于靶材尺寸。而ito靶材尺寸的扩展工艺难度极高,我们国家却因“烧不出大号靶材,迫使我们长期依赖进口。这昭示着用于高端产品的大面积tcf的制备技术是关键技术之一(科技日报2018年5月18日)。
2、随着新一代的柔性电子学/器件、柔性光电子学/器件、可穿戴器件/系统的发展,对tcf提出了越来越高的要求——要求tcf不仅具有优异的透明导电性,而且具有柔性、高强度甚至能够自支撑,同时能够被大面积和规模化制备,真正解决符合工业标准的碳纳米透明导电薄膜的制备难题,从而为解决大面积tcf这个的关键技术问题提供有效方案。于是,研发一种大面积柔性tcf及其制备方法,满足未来电子设备对tcf的要求,即同时使tcf具有轻质、高强、柔性、出色透明度和导电性,并且可以大面积生产的制备方法,对大面积应用的柔性tcf具有十分重要的科学意义和应用价值,使其可以在室温下直接转移,无需像ito一样必须高温溅射。
技术实现思路
1、鉴于上述问题,本发明提出了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的透明导电薄膜的制备方法。
2、本发明的一个目的是实现透明导电薄膜的大面积制备。
3、本发明一个进一步的目的是改善透明导电薄膜的性能。
4、本发明一个进一步的目的是将石墨烯加入至透明导电薄膜,从而得到重组碳纳米管-石墨烯复合薄膜,极大地提高透明导电薄膜的性能。
5、特别地,本发明提供了一种透明导电薄膜的制备方法,其包括:
6、将设定面积的原始碳纳米管薄膜铺设在衬底表面,并置于生长腔体中;
7、使衬底与生长腔体中的气体发生表面重构,伴随着构成刻面的刻面原子的输运,形成刻面,刻面在介观尺度上表现为衬底表面上的规律的台阶状;
8、使刻面与原始碳纳米管薄膜发生相互作用,从而去除原始碳纳米管薄膜中的杂质,原始碳纳米管薄膜中至少部分碳纳米管在刻面的驱动下发生位置移动,相邻的碳纳米管或管束倾向于紧靠,使原始碳纳米管薄膜中的碳纳米管网络重组得到重组碳纳米管薄膜。
9、可选地,衬底与生长腔体中的气体发生表面重构,形成刻面的步骤包括:
10、对生长腔体进行洗气,以控制生长腔体中与衬底发生表面重构的气体的分压处于设定范围;
11、对生长腔体进行加热,从而控制在衬底表面与气体发生表面重构,形成刻面。
12、可选地,气体为生长腔体中能与衬底发生表面重构的气体,包括氧化性或还原性气体任一类型中一种或多种同属气体的混合;
13、气体的来源包括:气体、液体、固体中的任一种或以上任意多种形态的混合。
14、可选地,使刻面与原始碳纳米管薄膜发生相互作用的步骤包括:
15、继续进行加热,使衬底上的刻面逐渐长大,从而控制碳纳米管网络逐渐紧贴刻面,以及原始碳纳米管薄膜中的杂质逐渐溶解;
16、碳纳米管网络中的碳纳米管随着刻面的生长进行移动并相互靠近,从而使碳纳米管网络重组为长共有段y型互联网络,得到重组碳纳米管薄膜。
17、可选地,形成刻面的温度范围配置为大于等于400℃;
18、控制碳纳米管网络逐渐紧贴刻面的温度范围配置为大于等于600℃;
19、杂质逐渐溶解的温度范围配置为大于等于500℃;
20、使刻面与原始碳纳米管薄膜发生相互作用的步骤还包括:继续进行加热,使刻面的形貌特征逐渐消失,刻面的形貌特征逐渐消失的温度范围配置为大于等于800℃。
21、可选地,使刻面与原始碳纳米管薄膜发生相互作用的步骤之后还包括:向生长腔体中通入碳源和辅助气体,从而生长石墨烯,得到重组碳纳米管-石墨烯复合薄膜。
22、可选地,使刻面与原始碳纳米管薄膜发生相互作用的步骤之后还包括:
23、对重组碳纳米管薄膜或重组碳纳米管-石墨烯复合薄膜按照预设冷却速率进行冷却处理;
24、将冷却后的重组碳纳米管薄膜或重组碳纳米管-石墨烯复合薄膜在衬底刻蚀剂中刻蚀掉衬底,漂浮在衬底刻蚀剂表面,并用漂洗液进行漂洗。
25、可选地,将设定面积的原始碳纳米管薄膜铺设在衬底表面的步骤包括:
26、取多张原始碳纳米管薄膜拼接铺设在衬底表面,从而使原始碳纳米管薄膜铺满衬底表面,使衬底表面上存在至少一层原始碳纳米管薄膜。
27、可选地,将设定面积的原始碳纳米管薄膜铺设在衬底表面的步骤之后还包括:
28、向原始碳纳米管薄膜滴加易挥发的有机溶剂以浸润原始碳纳米管薄膜,以增大原始碳纳米管薄膜与衬底表面的接触程度;
29、待有机溶剂挥发完毕后,将原始碳纳米管薄膜与衬底置于生长腔体中。
30、可选地,有机溶剂包括乙醇、丙醇、丁醇、乙二醇、异丙醇、丙酮、正己烷、环己烷、苯甲醚、氯苯中的任一种或以上任意多种有机溶剂的混合;
31、原始碳纳米管薄膜中的碳纳米管包括:单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、少壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的至少一种或以上任意多种碳纳米管的混合;
32、原始碳纳米管薄膜的厚度大于0.1nm;
33、衬底的材质包括铜、铂、金、镍、钛、铁、铅、钯、银、钨、铝、锌、铬金中任一种金属或以上任意多种金属组合的合金。
34、本发明的透明导电薄膜的制备方法,将设定面积的原始碳纳米管薄膜铺设在衬底表面,并置于生长腔体中;随后在衬底表面与所述气体发生表面重构,形成刻面,伴随着大量的构成刻面原子的输运,刻面在介观尺度上表现为衬底表面上的规律的台阶状;接着使刻面与原始碳纳米管薄膜发生相互作用,从而去除原始碳纳米管薄膜中的杂质,原始薄膜中至少部分碳纳米管在刻面的驱动下发生位置移动,并使原始碳纳米管薄膜中的碳纳米管网络重组得到重组碳纳米管薄膜。通过此方法得到的重组碳纳米管薄膜作为透明导电薄膜,相比于原始碳纳米管薄膜其内部形成了更加高效的导电网络,改善了透明导电薄膜的性能,并且本发明的方法还可以实现透明导电薄膜的大面积制备,同时也能够实现这种大面积透明导电薄膜的自支撑。
35、进一步地,本发明的透明导电薄膜的制备方法,在使刻面与原始碳纳米管薄膜发生相互作用之后,继续向生长腔体中通入碳源和辅助气体,从而生长石墨烯,得到重组碳纳米管-石墨烯复合薄膜。通过此方法可以将石墨烯填充在重组碳纳米管薄膜中的碳纳米管网络的孔隙中,得到重组碳纳米管-石墨烯复合薄膜,这样的结构使石墨烯和碳纳米管的优点相结合,从而极大地提高透明导电薄膜的性能,并且本发明的方法还可以实现重组碳纳米管-石墨烯复合透明导电薄膜的大面积制备,同时也能够实现这种大面积透明导电薄膜的自支撑。
36、根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述,本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
1.一种透明导电薄膜的制备方法,包括:
2.根据权利要求1所述的透明导电薄膜的制备方法,其中,
3.根据权利要求2所述的透明导电薄膜的制备方法,其中,
4.根据权利要求3所述的透明导电薄膜的制备方法,其中,
5.根据权利要求4所述的透明导电薄膜的制备方法,其中,
6.根据权利要求1所述的透明导电薄膜的制备方法,其中,
7.根据权利要求1至6中任一项所述的透明导电薄膜的制备方法,其中,
8.根据权利要求1所述的透明导电薄膜的制备方法,其中,
9.根据权利要求8所述的透明导电薄膜的制备方法,其中,
10.根据权利要求9所述的透明导电薄膜的制备方法,其中,
