银纳米线复合透明导电薄膜性能协同提升研究

Silver nanowire network is a promising candidate to replace ITO as a transparent conductor due to its good conductivity, excellent flexibility and low-cost solution process technology. In this project polysaccharides not dissolved in water and organic solvent complex with small molecular antioxidative carboxylic acid or amine is introduced to synthesize silver nanowire (AgNW) composite transparent electrode via a low-temperature solution-process. The adhesion of AgNW to substrate, surface roughness and stability under high temperature and humidity are improved simultaneously together with remained or enhanced conductivity instead of enhancing one property at a cost of reducing another. The solubility change of polysaccharide at the presence of small molecular antioxidative carboxylic acid or amine will be studied. Besides, the relationships between the performance of composite and film composition, interaction among the composite, 3D topological structure will be also studied to reveal the mechanism of performance improvement of AgNW composite film. The project can provide new idea and theoretical guidance as a strong support for the design and future application of silver nanowire transparent conductor.

银纳米线透明导电薄膜（TCF）具有优异的导电性、柔韧性、与低成本大规模液相成膜工艺的兼容性，是一种极具潜力的氧化铟锡（ITO）替代材料。本项目采用既不溶于水也不溶于有机溶剂的多糖与小分子抗氧化性羧酸或胺/氨的复合物这一全新体系，低温下，通过与大规模液相成膜工艺兼容且较简单的溶液法工艺，与银纳米线构建透明导电复合薄膜。不以牺牲薄膜某项性能为代价改善其他性能，同时提高银纳米线透明导电薄膜与基底间粘附性、薄膜表面平整性、高温高湿环境下稳定性，且保持或增强导电性。项目将重点研究含胺基或羧基难溶性多糖在小分子羧酸及胺/氨调节下溶解性的变化，以及复合薄膜组成、组分间相互作用、组分间三维拓扑结构与透明导电复合薄膜粘附性、平整性、稳定性和导电性的调控关系，揭示复合薄膜性能调控的作用机制，为高性能银纳米线透明导电复合薄膜的结构设计、制备方法、性能提升和应用提供新的思路和科学依据。

近年来柔性电子发展快速，尤其是在穿戴电子、脑机接口、皮肤电子、植入电子等领域，有望打造未来智能生活。电极是各种柔性电子器件的重要基础部分，用于传导电流，传递信号等。而像柔性显示、无感医疗、多功能植入光遗传器件等还要求一定的光透过性。因此，柔性且透明的电极不可或缺。基于优秀的导电性、柔性以及低成本的溶液法制备工艺，银纳米线网络是最有望取代传统硬性金属氧化物透明电极而用于各种柔性器件的材料之一。但其稳定性较差，或提高稳定性的同时导电性下降，制约了其进一步应用。本项目我们发展了一种顶层复合生物相容的且纳米级厚度的聚合物的方法，优选了一种既能有效提高透明电极稳定性和降低粗糙度，又能很好维持甚至提高薄膜原有导电性的体系，实现了一种综合性能优秀的柔性银纳米线透明导电薄膜的制备，并探讨了其中的作用规律和机理。我们选取了成膜性好、生物相容性佳的壳聚糖作为主体材料，并与不同的有机羧酸小分子配合，制备成能溶于水的均一溶液以方便低成本、高效率的溶液法薄膜制备工艺。我们发现复合薄膜的性能主要取决于与壳聚糖配合的羧酸小分子结构和比例以及壳聚糖层厚度。优化后的组别，比如银纳米线-壳聚糖-乳酸构成的复合薄膜，顶层绝缘层仅15.6 nm时，薄膜从仅能经受数秒水相超声提高到能同时经受水和有机溶剂的高功率超声，直至数十小时后，位于基底上的导电层依然完好不脱落。进一步的高温高湿、持续高温、大面积表面扫描等实验表明，复合薄膜在85 ℃/85%RH条件下一个月导电性变化小于30%，180度下稳定达数十小时，50μm*50μm大面积范围内均方根粗糙度小于10 nm，且薄膜整体光电性能与氧化铟锡商品化透明电极相当。进一步，制备的复合薄膜成功用于太阳能电池、触摸传感器等。本项目制备了目前为止文献报道的最稳定的银纳米线透明导电薄膜，为银纳米线薄膜性能提升提供了新的解决方案和思路，使得其有望更好的服务于未来智能信息化领域。