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Scientific Reports:极易折叠且高度透明的纳米纤维电极
2019/11/28 22:19:26 admin

  近年来,柔性透明电极在许多可穿戴光电器件中引起了极大的关注。可折叠透明电极具有光学透明性,低电阻和高水平的极端弯曲韧性,且不会显著降低其电性能。通常,电阻率和光学透射率遵循相反的趋势。因此,实现电阻率和光学透射率之间的最佳平衡,以获得高导电透明电极是一大挑战。传统上,商业氧化铟锡(ITO)电极已广泛用于透明导电光电器件。然而,在柔性电子应用中仍然存在一些缺点,例如铟的稀缺性,制造加工的高成本以及它们的机械脆性,这促使研究替代材料以替代下一代的ITO电极-光电柔性器件。到目前为止,几种有前途的柔性透明电极材料,如导电聚合物、碳纳米管(CNT)、石墨烯、金属纳米线、金属纳米网络及其杂化材料,被用于制造具有低电阻和高柔韧性的高透明和柔性电极。然而,用作柔性基材的大多数透明薄膜是聚合物基薄膜,它们不是极易折叠的,因此受限于最终的折叠条件。银纳米线(AgNWs)是最有前途的透明导电电极材料之一,因为它们具有低电阻、良好的光学透明性和高机械柔韧性。

  近日,研究人员将纤维基透明基材的醋酸纤维素(NF-r-CA)纳米纤维膜用于开发具有优异耐久性和极易折叠性的高透明电极,其中,AgNWs使NF-r-CA膜的机械性能得到极大改善。此外,NF-r-CA透明薄膜比初纺尼龙6纳米纤维膜具有更光滑的表面形貌(RRMS~27nm)。AgNWs浓度为0.025wt%和静电纺丝时间为45min制备的NF45-r-CA电极是高度透明的(~90%),具有较低的薄层电阻(~24Ω平方-1)和较高的机械强度(59.7MPa)。NF45-r-CA电极的薄层电阻几乎保持不变,即使经过10,000次循环(弯曲半径~1mm)的反复弯曲试验后,变化率也小于0.01%,而ITO电极的薄层电阻逐渐增加,最终在大约270个周期没有电信号。此外,高度透明的NF45-r-CA电极成功构建可折叠的聚合物分散液晶薄膜,在极端弯曲半径为1.5mm的500次循环的弯曲试验后表现出优异的稳定性。相关研究成果发表于:Scientific Reports,2018,8, 11517


图1 高度透明的纳米纤维电极的制造过程示意图。(a)高度透明的纳米纤维电极的制备工艺步骤。(b)纯CA膜和不同纳米纤维含量NF-r-CA膜(NF15-r-CA,NF30-r-CA和NF45-r-CA膜)的应力-应变曲线和(c) 光学透射率。


图2 初纺尼龙6纳米纤维膜、NF45-r-CA膜和AgNWs涂覆的透明NF45-r-CA电极的(a-c)FE-SEM和(d-f)AFM图像。(g-i)不同AgNW浓度的NF45-r-CA透明电极的表面形貌(g:0.025%,h:0.05%,i:0.1%)和光学透射率(j)。(k)ITO和NF45-r-CA电极的弯曲半径的函数于薄层电阻的相对变化。(l)NF45-r-CA电极的重复弯曲试验,在极端弯曲半径为1mm的情况下进行10,000次循环。


图3 基于ITO和NF45-r-CA电极的PDLC薄膜的比较。(a)基于NF45-r-CA的PDLC膜的不透明和透明状态的示意图。(b)NF45-r-CA PDLC薄膜在Voff(施加电压~0Vrms)和Von(施加电压~24.24Vrms)下卷起的照片。(c)在Voff和Von处的ITO和NF-r-CA PDLC的PDLC膜的POM图像。(d-e)ITO和NF45-r-CA电极在极端弯曲半径为1.5mm的反复弯曲试验前后对比图。(f)在重复弯曲试验(50,100,200,300,400和500次循环)后,在施加电压(24.24Vrms)下ITO和NF-r-CA PDLC基PDLC膜的相对透射率变化。

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41598-018-29940-3

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