昆士蘭大學王連洲團隊Advanced Functional Materials: 具有可調潤濕性的三層納米網膜作為高度透明、柔性和可回收的電極

【引言】

透明導電薄膜（TCFs）廣泛應用于剛性和柔性光電子器件，包括顯示器、太陽能電池、觸摸屏、智能窗戶、透明儲能器件和生物電子器件。然而，工業上最常用的透明導體銦錫氧化物（ITO），由于銦資源的限制價格昂貴，而且ITO是一種易碎的脆性材料，不能滿足新興柔性器件的需求。近年來，?MXene、石墨烯、碳納米管、導電聚合物、金屬納米線、圖案金屬網格等不同類型的TCFs被開發出來取代ITO。在這些材料中，由光刻、注射印刷、激光印刷和反向膠版印刷制作的帶有納米或微結構金屬網絡的圖案金屬網格，由于其性能和成本，顯示出其作為高性能TCFs的巨大應用潛力。然而，通過這些方法獲得的圖案具有較大的間距尺寸，范圍從10 μm至5 mm，這影響了網絡孔內的電荷收集效率。在光電器件中，平面內電荷擴散距離長會導致載流子復合幾率增加。因此，減小薄膜的間距尺寸是很重要的。納米球模板法（NSL）利用單層緊密排列的膠體顆粒作為模板，是一種制備數百納米量級小孔徑的金屬納米電極的獨特技術。此外，NSL可以在剛性和柔性基片上制備結構可控，高度均勻的圖案化薄膜。此外，該方法有潛力擴展到用卷對卷技術大面積制造。NSL制造的金屬納米網電極表現出獨特的等離子體性質，包括特定波長范圍透光率增強和表面等離子體共振。這些現象已廣泛應用于傳感器、太陽能電池、有機發光二極管（OLEDs）、電致變色器件和透明儲能器件。然而，有序圓孔的金屬納米網電極的一個主要問題在透光性，通過圖案尺寸調控，這一類TCF的透光性通常仍然低于80%。

【成果簡介】

近日，在澳大利亞昆士蘭大學王連洲教授（通訊作者）團隊等人帶領下，與墨爾本大學合作，報道了采用納米球模板法技術制備了可以精確控制孔徑，網格尺寸的三層電介質/金屬/電介質（D/M/D）納米網膜電極。小孔徑（≤700 nm）和超薄（≤50 nm）的TiO₂/Au/TiO₂納米網膜顯示出高透光率（> 90％）、低薄膜電阻（≤70Ωsq^-1），以及出色的耐彎折性能和大面積圖案化的可行性。此外，通過調整表面潤濕性，這類薄膜展示了可回收柔性電極的應用潛力。這種簡單低成本的制備方法，可廣泛適用于制備多種層狀納米網透明導電膜，為設計制造先進光電子器件提供了新思路。相關成果以題為“Trilayer Nanomesh Films with Tunable Wettability as Highly Transparent, Flexible, and Recyclable Electrodes”發表在了Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1?制備D/M/D三層納米網狀TFCs的示意圖

a）制備D/M/D（D = TiO₂，M = Au、Ag、Cu）三層納米網TFCs的示意圖。i）單層聚苯乙烯（PS）顆粒自組裝然后沉積到基片上，通過反應離子蝕刻（RIE）來減小顆粒尺寸。ii）通過電子束蒸鍍技術在基片上依次沉積TiO₂、金屬和TiO₂。iii）除去PS顆粒后得到TiO₂/金屬/TiO₂納米網膜。

b）左邊是玻璃和右邊是玻璃基片上的TiO₂/Au/TiO₂納米薄膜的照片。

c）在玻璃基片上孔徑為650 nm的典型TiO₂/Au/TiO₂納米薄膜的掃描電鏡圖像。插圖是局部放大圖。

圖2 TiO₂/Au/TiO₂和TiO₂/Ag/TiO₂納米網膜的光譜表征

a）TiO₂/Au/TiO₂膜、Au膜及對應的納米網（NM）的紫外可見光譜。所有樣品的Au厚度都為15nm。在TiO₂/Au/TiO₂膜體系中，TiO₂的厚度為12 nm。在Ti/Au體系中，使用5 nm Ti作為Au膜和Au納米網的附著層。納米網的平均周期為750 nm，平均孔徑為600 nm。透光率排除了襯底的吸收。

b）TiO₂/Au/TiO₂膜（10 nm/15 nm/10 nm）和Ti/Au膜（5 nm/15 nm）的計算光譜。

c）玻璃、玻璃上的ITO、玻璃上的TiO₂/Au/TiO₂納米網、玻璃上的TiO₂/Ag/TiO₂納米網的紫外可見光譜的比較。透光率包括襯底吸收。

d）本工作制備的TiO₂/Au/TiO₂和TiO₂/Ag/TiO₂納米網膜與實驗和文獻得到的圖案尺寸相近的Au、Ag納米網的薄膜電阻與透光率的比較。

圖3 PET基片上的TiO₂/Au/TiO₂納米網膜和ITO的薄膜電阻變化

a）在不同彎曲半徑下，經過一次彎曲和恢復后。

b）在彎曲半徑為2.5 mm時，這些薄膜經過1000次彎曲后。

c）在PET和玻璃基片上TiO₂/Au/TiO₂納米網的薄膜電阻與膠帶測試次數的關系。

圖4 TiO₂/Au/TiO₂納米網在PET基片上的透明柔性電路

a）PET基片上袋鼠圖案的TiO₂/Au/TiO₂納米網用作柔性透明電路，點亮藍色LED。

b）左側圖片是使用TiO₂/Au/TiO₂納米網作為電極的液體電解質的電致變色器件的褪色和顯色狀態。右側圖片是使用回收的TiO₂/Au/TiO₂納米網作為電極的帶有固體凝膠電解質的柔性電致變色器件的褪色和顯色狀態。

c）具有相應參數和水接觸角的PET基片上TiO₂/Au/TiO₂納米網表面上的水滴的照片。

【小結】

綜上所述，該工作采用簡單的NSL方法開發了新的D/M/D （D = TiO₂，M = Au、Ag）三層納米網TCFs，有效解決了納米孔陣列的低透光率問題。這種方法是一種制備多層納米網材料的通用方法。TiO₂/Au/TiO₂和TiO₂/Ag/TiO₂三層納米網TCFs的透光率和薄膜電阻性能優于大多數已報道的納米孔陣列的TCFs。特別地，TiO₂/Au/TiO₂納米網具有良好的柔韌性、機械穩定性好、可圖案化和回收利用。這項工作為先進光電子器件的設計和制造提供了新的機會。

文獻鏈接：Trilayer Nanomesh Films with Tunable Wettability as Highly Transparent, Flexible, and Recyclable Electrodes（Adv. Funct. Mater.，?2020，DOI:10.1002/adfm.202002556）

【團隊介紹】

邱騰飛，昆士蘭大學發展學者（UQ?Development Fellow）。2005-2009年中南大學本科。2011年獲得中國科學院-德意志學術交流中心聯合培養獎學金（CAS-DAAD）在德國柏林自由大學留學一年。 2015年中國科學院大學國家納米科學中心獲得博士學位，同年開始昆士蘭科技大學博士后研究。2017年在昆士蘭大學進行博士后研究，2018年獲得昆士蘭大學發展基金資助。 主要研究方向：薄膜電極材料，納米材料，能源材料。在包括Adv. Mater., Adv. Funct. Mater. 等國際期刊發表文章20篇，已授權國家發明專利5項, 論文引用1000余 次。

羅彬，2013年于中國科學院大學國家納米科學中心獲博士學位，主要從事功能納米材料的可控制備及其在儲能領域的應用。迄今為止在重點國際期刊如Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Nano Energy等發表學術論文90余篇，其中11篇論文入選ESI高引論文，學術論文總引用次數達5000余次；已授權國家發明專利13項。曾獲得中國科學院優秀博士學位論文獎,中國科學院院長優秀獎，北京市科學技術獎，澳大利亞國家研究基金理事會青年學者獎等多個榮譽獎項。

王連洲（Lianzhou Wang），昆士蘭大學化工學院教授和澳大利亞桂冠教授，澳大利亞納米材料研究中心（Nanomac）主任，澳大利亞生物工程與納米技術研究所（AIBN）兼職課題組長。主要從事半導體納米材料的合成及其在清潔能源領域的應用，2018年底其團隊創造了新型量子點太陽能電池效率的世界記錄，認證轉換效率達16.6%。先后在諸多國際學術期刊發表論文400余篇，承擔或參與了澳大利亞基金委、澳洲科學院、昆士蘭州政府以及工業界等40余項競爭性研究項目。先后獲得澳洲基金委女王伊麗莎白學者，未來學者和桂冠學者稱號，昆士蘭大學研究優秀獎及優秀研究生導師獎，澳洲尋找未來之星獎，國際化工學會杰出研究獎等，入選澳洲基金委專家委員會和英國皇家化學會會士，科睿唯安“高被引科學家”等。任澳洲材料科學與工程全國委員會副主任。

個人主頁: http://researchers.uq.edu.au/researcher/1479

論文引用信息:

https://scholar.google.com.au/citations?user=1Kb97_kAAAAJ&hl=en

課題組網站：

https://nanomaterials.centre.uq.edu.au/

其他合作者包括墨爾本大學Eser Metin Akinoglu博士，昆士蘭大學Jung-Ho Yun博士和Ian Gentle 教授。

團隊在該領域工作匯總:

Mengmeng Hao, Yang Bai, Stefan Zeiske, Long Ren, Junxian Liu, Yongbo Yuan, Nasim Zarrabi, Ningyan Cheng, Mehri Ghasemi, Peng Chen, Miaoqiang Lyu, Dongxu He, Jung-Ho Yun, Yi Du, Yun Wang, Shanshan Ding, Ardalan Armin, Paul Meredith, Gang Liu, Hui-Ming Cheng & Lianzhou Wang, Ligand-assisted cation-exchange engineering for high-efficiency colloidal Cs1?xFAxPbI3 quantum dot solar cells with reduced phase segregation, Nature Energy, 2020, 5,?79–88

Peng Chen, Yang Bai, Songcan Wang, Miaoqiang Lyu, Jung‐Ho Yun, Lianzhou Wang, In situ growth of 2D perovskite capping layer for stable and efficient perovskite solar cells, Advanced Functional Materials, 2018,?28, 1706923

Hu, Yuxiang, Bai, Yang, Luo, Bin, Wang, Songcan, Hu, Han, Chen, Peng, Lyu, Miaoqiang, Shapter, Joe, Rowan, Alan and Wang, Lianzhou (2019) A portable and efficient solar‐rechargeable battery with ultrafast photo‐charge/discharge rate.?Advanced Energy Materials,?2019, doi:10.1002/aenm.201900872.

相關文獻：

Part. Part. Syst. Charact. 2017, 34, 1600262

Nano Lett. 2014, 14, 2105?2110

small 2014, 10, No. 20, 4136–4141

本文由木文韜翻譯。

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