焦耳热辅助燃烧法制备高稳定性Cu/AZO核壳纳米线网络及其性质研究

Transparent conductive materials are an important part of optoelectronic devices. Metal nanowire network (MNN) has the characteristics of high transmittance, high electrical conductivity and good flexibility, and is regarded as an ideal material to replace the traditional transparent conductive metal oxides. At present, improving the current carrying capacity and oxidation resistance of MNN is the key to expand its application range and service lifetime. This project aims to prepare a low-cost, high-stability Cu/AZO core/shell nanowire network transparent conductive material by using Joule heat-assisted combustion method which can selectively deposit AZO on the surface of Cu nanowires. The migration and diffusion activation energy of metal and oxygen ions at the Cu/AZO core/shell interface will be improved by regulating the chemical bond properties of Cu/AZO and the crystal structure of AZO shell. We will investigate the effect of combustion reaction precursor ratio and input power on the crystal structure of the AZO shell, and the optoelectronic performance of the Cu/AZO core/shell nanowire network. The in-situ characterization, theory simulation and temperature-dependent electrical test will be carried out to reveal the influence mechanism of AZO shell thickness and crystallinity, and Cu/AZO interface properties on the stability of copper nanowire network. This project provides a new idea for improving the stability of MNN transparent conductive materials.

透明导电材料是光电器件的重要组成部分。金属纳米线网络具有全光谱透过率高、导电性好、耐弯折等特点，是替代传统透明导电金属氧化物的理想材料。目前，提高金属纳米线网络的承载电流能力和抗氧化能力是拓展其应用范围和使役性能的关键。本项目旨在利用焦耳热辅助燃烧法在铜纳米线表面选择性沉积AZO壳层，通过调控AZO壳层的晶体结构和Cu/AZO核壳界面的化学键性质，提高界面处金属和氧离子的迁移和扩散激活能，获得低成本、高稳定性的Cu/AZO核壳纳米线网络透明导电材料。研究燃烧法的前驱体配比和电流输入方式对AZO壳层的晶体结构、Cu/AZO界面原子成键性质、以及Cu/AZO核壳纳米线网络的光学和电学性质的调控规律；利用理论模拟、原位表征手段、变温电学测试，揭示AZO壳层厚度和结晶性、核壳界面性质对铜纳米线网络承载电流能力和抗氧化能力的影响机理。本项目为提高金属纳米线网络透明导电材料的稳定性提供新思路。

金属纳米线网络具有导电性好、全光谱透过率高、柔韧性优异等特点，是未来可穿戴光电器件所需透明电极的重要候选材料。本项目针对金属纳米线网络稳定性差的关键科学问题，从金属@氧化物和金属@二维材料核壳纳米线网络材料研制、光电性能调控、稳定性机制探究以及电磁屏蔽应用等方面开展了系列研究工作。取得主要结果如下:（一）开发了氧等离子体处理方法，解决了薄膜裂隙网络模板与衬底粘附力弱的难题，实现了模板辅助电镀法构筑高性能（透光率高于80%，面电阻小于1Ω/□）铜纳米线网络透明导电材料；发展了将铜纳米线网络嵌入聚合物衬底中的转移法，提高了化学和机械稳定性；（二）提出利用光化学合成、电沉积在金属纳米线网络表面选择性沉积金属氧化物的方法，室温下构筑了银@氧化锌、银@氧化亚铜等核壳纳米线网络透明导电材料，在不影响透光率情况下显著提高了金属纳米线网络的电导率和稳定性；（三）采用高分辨透射电子显微镜、发光光谱、X射线光电子能谱等手段，表征了金属纳米线/金属氧化物界面的微结构，揭示了金属纳米线表面外延氧化物的成核生长规律与成键态，阐明了金属氧化物壳层提高金属纳米线网络稳定性的物理机制；（四）将上述技术应用于金属@二维材料核壳纳米线网络构筑，获得了可见光透过率大于90%，面电阻小于5Ω/□，耐受电加热温度高于400ºC的透明导电银@石墨烯核壳纳米线网络材料，并探究了其在可拉伸透明电磁屏蔽领域的应用效果。本项目研究成果对提高金属纳米线网络透明导电材料的可靠性具有重要的参考价值，同时研究成果中所提出的核壳纳米线网络构筑技术也为发展高性能透明导电材料及其在可穿戴光电器件领域应用提供了新的研究思路。