Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Eenvoudige synthese van zilveren nanodraden met verschillende beeldverhoudingen en gebruikt als hoogwaardige flexibele transparante elektroden

Abstract

Zilveren nanodraden (Ag NW's) zijn de veelbelovende materialen om flexibele transparante elektroden te fabriceren, met als doel indiumtinoxide (ITO) te vervangen in de volgende generatie flexibele elektronica. Hierin wordt een haalbare polyvinylpyrrolidon (PVP)-gemedieerde polyolsynthese van Ag NW's met verschillende aspectverhoudingen gedemonstreerd en worden hoogwaardige Ag NW's transparante elektroden (NTE's) vervaardigd zonder thermisch sinteren bij hoge temperatuur. Wanneer het mengsel van PVP met verschillend gemiddeld molecuulgewicht als afdekmiddel wordt gebruikt, kunnen de diameters van Ag NW's worden aangepast en Ag NW's met verschillende aspectverhoudingen variërend van ca. 30 tot ca. 1000 worden verkregen. Met behulp van deze gesynthetiseerde Ag NW's worden de uniforme Ag NW's-films gefabriceerd door herhaalde spincoating. Wanneer de aspectverhoudingen 500 overschrijden, verbeteren de opto-elektronische prestaties van Ag NWs-films opmerkelijk en komen overeen met die van ITO-films. Bovendien worden optimale Ag NTE's met een lage velweerstand van 11,4 Ω/sq en een hoge parallelle transmissie van 91,6% bij 550 nm bereikt wanneer de aspectverhoudingen bijna 1000 bereiken. Bovendien vertoont de velweerstand van Ag NWs-films niet veel variatie na 400 cycli buigtest, wat een uitstekende flexibiliteit suggereert. De voorgestelde benadering om zeer flexibele en krachtige Ag NTE's te fabriceren zou nuttig zijn voor de ontwikkeling van flexibele apparaten.

Achtergrond

Flexibele transparante elektroden (FTE's) spelen een belangrijke rol in de volgende generatie flexibele elektronica [1,2,3,4]. FTE's kunnen worden toegepast op veel opto-elektronische apparaten als geleidende componenten, waaronder aanraakschermen [5, 6], draagbare zonnecellen [7, 8], organische lichtemitterende diodes (OLED's) [9,10,11], brandstofcelelektrode [ 12,13,14,15,16,17], sensoren [18, 19], PM-filter [20], transparante verwarmers [21, 22] en draagbare elektronica [23, 24]. De dominante transparante elektroden (TE's) die momenteel worden gebruikt, zijn indiumtinoxide (ITO) vanwege de lage plaatweerstand (<100 Ω/sq) en hoge transmissie (>80%). Maar de intrinsieke brosheid ervan beperkt de toepassingen in flexibele elektronica. Bovendien vereist het een depositieproces bij hoge temperatuur en wordt het uitgedaagd door de schaarste aan indium [25,26,27]. Daarom zijn verschillende nieuwe geleidende films met een goede flexibiliteit en optische transparantie, zoals metalen roosters [2, 28, 29], koolstofnanobuisjes (CNT's) [30,31,32,33], grafeen [34,35,36], Ag NW's [5, 37,38,39,40,41], Cu NW's [42, 43], geleidende polymeren [44, 45] en hybriden hiervan [46,47,48], zijn gefabriceerd, met als doel vervanging ITO. Onder deze kandidaten zijn Ag NWs-films uitgebreid onderzocht in zowel wetenschappelijke als industriële instellingen, vanwege de uitstekende elektrische geleidbaarheid en hoge optische transparantie. Bovendien vertonen Ag NW's een uitstekende flexibiliteit en rekbaarheid, wat een van de aantrekkelijke voordelen is om rekbare transparante geleiders te fabriceren dan fragiele ITO [49,50,51]. Bovendien zijn de in oplossing verwerkte Ag NWs-films kosteneffectiever dan ITO. Al deze eigenschappen maken Ag NWs-films veelbelovende alternatieven voor ITO voor toepassingen in flexibele elektronica.

Er moeten echter verschillende problemen worden aangepakt om Ag NW-films als VTE's te commercialiseren. Ten eerste moeten Ag NW's met verschillende aspectverhoudingen gemakkelijk en gecontroleerd worden gesynthetiseerd, omdat de aanlokkelijke eigenschappen van Ag NW's-films sterk afhankelijk zijn van de afmetingen van Ag NW's en een goed ontworpen lengte en diameter van zeer belang zijn voor verschillende toepassingen [52, 53]. Over het algemeen is het polyolproces de meest gebruikte methode om Ag NW's te bereiden. Ran et al. [54] synthetiseerde dunne Ag NW's met aspectverhoudingen groter dan 1000 door het gemengde PVP met het gemiddelde molecuulgewicht van 58.000 en 1.300.000 als afdekmiddel te gebruiken. De invloed van de aspectverhoudingen op de opto-elektronische prestaties van Ag NTE's werd echter niet zorgvuldig onderzocht in hun werk. Hoewel Ding et al. [55] Ag NW's geprepareerd met verschillende diameters variërend van 40 tot 110 nm en Ag NTE's gefabriceerd met een transmissie van 87% en een plaatweerstand van ongeveer 70 Ω/sq, veel parameters moeten tegelijkertijd worden aangepast om de diameters van Ag te regelen NW's en de opto-elektronische prestaties van de zoals verkregen Ag NTE's zouden niet bevredigend zijn. Li et al. [56] heeft dunne Ag NW's met een diameter van 20 nm gesynthetiseerd door de bromideconcentratie te veranderen. En ze hebben Ag NWs-films van hoge kwaliteit gefabriceerd met een transmissie van 99,1% bij 130,0 Ω/sq. Ko et al. [57] ontwikkelde een meerstapsgroeimethode om zeer lange Ag NW's van meer dan enkele honderden micrometers te synthetiseren en de gefabriceerde films vertoonden een superieure transmissie van 90% met een bladweerstand van 19 Ω/sq. De opto-elektronische prestaties van deze Ag NWs-films zijn vergelijkbaar met of zelfs beter dan die van ITO-films. Maar de minimale aspectverhouding van Ag NW's, die het vermogen heeft om TE's te fabriceren die concurreren met commerciële ITO in termen van plaatweerstand en transmissie, is nog steeds onzeker. Daarom is het noodzakelijk om Ag NW's met verschillende aspectverhoudingen te synthetiseren en hun invloed op de opto-elektronische prestaties van Ag NWs-films te bestuderen.

Bovendien is de elektronische geleidbaarheid van Ag NWs-films relatief slecht, als gevolg van de hoge weerstand tegen nanodraadverbindingen [58]. Bij de polyolsynthese van Ag NW's adsorbeert PVP als oppervlakteactieve stof op het oppervlak van Ag NW's, wat resulteert in geïsoleerd contact tussen de draden in het willekeurige netwerk [59, 60]. Bijgevolg verschillende fysische en chemische nabewerkingen, waaronder thermisch gloeien [38, 39, 61, 62], mechanische pers [63], nanosolderen met geleidende polymeren [64], plasmonisch lassen [65], laser nanolassen [66,67, 68], en integratie met andere materialen [60], zijn onderzocht om de junctieweerstand te verminderen. Van deze nabehandelingen wordt gewoonlijk thermisch gloeien bij bijna 200 °C gebruikt. Het is onverenigbaar met flexibele plastic substraten die niet bestand zijn tegen hoge temperaturen, en beperkt daarom de toepassingen van Ag NWs-films in flexibele opto-elektronische apparaten.

Hierin wordt een reeks Ag NW's met verschillende beeldverhoudingen variërend van ca. 30 tot ca. 1000 worden controleerbaar gesynthetiseerd en gebruikt om hooggeleidende en transparante Ag NTE's te fabriceren. Ten eerste worden Ag NW's bereid door een eenvoudig PVP-gemedieerd polyolproces waarbij het mengsel van PVP met een verschillend gemiddeld molecuulgewicht de diameters efficiënt kan verkleinen. Vervolgens worden de gesynthetiseerde Ag NW's met verschillende aspectverhoudingen gebruikt om respectievelijk Ag NW's-films te fabriceren zonder gloeien bij hoge temperatuur. En de bijbehorende opto-elektronische prestaties zijn vergelijkend onderzocht. De beste plaatweerstand en parallelle transmissie kunnen 11,4 Ω/sq en 91,6% bereiken wanneer de aspectverhoudingen bijna 1000 bereiken. Bovendien is de plaatweerstand van as-fabricated Ag NWs-films bijna constant na binnenbuigings- en buitenbuigingstests.

Methoden

Materialen en chemicaliën

Zilvernitraat (AgNO3 , AR) en watervrije ethanol (C2 H5 OH, AR) werden gekocht bij Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. Koper (II) chloride-dehydraat (CuCl2 ·2H2 O, AR) en PVP (MW≈58.000, gemarkeerd als PVP-58) werden gekocht bij Shanghai Aladdin Reagents Co., Ltd. Ethyleenglycol (EG, 98%) en PVP (MW≈10.000, 40.000 en 360.000, gemarkeerd als PVP -10, PVP-40 en PVP-360 respectievelijk) werden gekocht bij Sigma-Aldrich. In de hele experimenten werd gedeïoniseerd water (18,2 MΩ) gebruikt.

Synthese van Ag NW's

Ag NW's met verschillende aspectverhoudingen worden bereid door een eenvoudig een-pot PVP-gemedieerd polyolproces. Typisch 0,170 g AgNO3 wordt onder magnetisch roeren opgelost in 10 ml EG. Vervolgens 0,15 M PVP-40 en 0,111 mM CuCl2 ·2H2 O gemengde oplossing in 10 ml EG wordt druppelsgewijs aan de bovenstaande oplossing toegevoegd. Daarna wordt het mengsel overgebracht in een met Teflon beklede roestvrijstalen autoclaaf met een capaciteit van 50 ml en 3 uur verwarmd op 160°C. Na natuurlijk afkoelen tot kamertemperatuur worden zuivere Ag NW's verkregen door centrifugeren bij een snelheid van 2500 rpm gedurende 5 minuten en driemaal gewassen met ethanol en gedeïoniseerd water. Ten slotte worden de producten gedispergeerd in ethanol voor verdere karakterisering en toepassing. Bovendien zijn de concentratie en het gemiddelde molecuulgewicht van PVP erg belangrijk om de morfologie en grootte van producten te regelen. Daarom worden verschillende soorten PVP-moleculen tegelijkertijd gebruikt om de diameters van Ag NW's in het polyolproces te reguleren. Gedetailleerde experimentele parameters worden vermeld in Aanvullend bestand 1:Tabel S1, respectievelijk genomineerd als S1-S13.

Vervaardiging van Ag NTE's

Polyethyleentereftalaat (PET) met een dikte van 150 μm wordt in stukken gesneden met een afmeting van 20 × 20 mm. In het kort, de zoals bereide Ag NW's worden gedispergeerd in ethanol (6 mg / ml) en 50 μL Ag NW's-oplossing wordt 30 seconden lang bij 2000 rpm gecentrifugeerd op PET-substraat. Ten slotte worden de Ag NWs-films gedurende 15 minuten verwarmd tot 140 ° C zonder aanvullende nabehandelingen. De aspectverhoudingen van Ag NW's, rotatiesnelheid, concentratie en volume van Ag NW's-oplossing worden onderzocht om hoogwaardige NTE's te fabriceren. Wat betreft de herhaalde spincoating, wordt elk volume Ag NWs-oplossing gewijzigd in 25 L en wordt de rotatiesnelheid ingesteld op 2000 tpm. Een tijdsinterval in elke spincoating is nodig om de ethanol te vervluchtigen. Andere parameters zijn hetzelfde als de bovengenoemde processen.

Karakterisatie en prestatietest

Scanning elektronenmicroscopie (SEM) beelden worden opgenomen met behulp van een koude veld-emissie SEM (Hitachi S-4800). De transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en de TEM-beelden (HRTEM) met hoge resolutie worden verkregen met behulp van een JEOL JEM-2100F. De UV-vis absorptiespectra van Ag NWs en de optische transmissiespectra van Ag NWs films worden uitgevoerd op een Shimadzu UV-3600 spectrofotometer. De plaatweerstand wordt gemeten bij kamertemperatuur met behulp van een 4-punts sondeweerstandstester (FP-001).

Resultaten en discussie

Over het algemeen worden Ag NW's gesynthetiseerd door middel van een polyolproces waarbij PVP wordt gebruikt als afdekmiddel om de groei van eendimensionale Ag NW's te verzekeren [69, 70]. Tijdens de synthese kunnen veel parameters zoals reactietemperatuur, roersnelheid, PVP-concentratie, PVP-ketenlengte, additieve middelen en verhouding van chemicaliën de opbrengst en morfologie van gesynthetiseerde Ag NW's beïnvloeden. Een ongepaste reactietemperatuur van minder dan 110 ° C of hoger dan 180 ° C zorgt ervoor dat meer Ag-atomen Ag-nanodeeltjes (NP's) kunnen vormen in plaats van Ag NW's [70, 71]. De lengte van gesynthetiseerde Ag NW's neemt toe naarmate de roersnelheid wordt vertraagd [72, 73]. In dit artikel onderzoeken we voornamelijk de concentratie van PVP en hun gemiddelde molecuulgewicht op het effect van morfologie en grootte van Ag NW's. De overeenkomstige morfologie en grootteverdeling van Ag NW's worden gedemonstreerd in figuur 1 en aanvullend bestand 1:figuur S1. Ten eerste wordt de concentratie van PVP verhoogd van 0,05 M (monster S1, aanvullend bestand 1:figuur S1a) tot 0,15 M (monster S2, figuur 1a). De overeenkomstige morfologie van producten is veranderd van bijna bolvormige Ag NP's in pure Ag NW's met een gemiddelde diameter van 104,4 nm en een lengte van 12,3 m. Het mengsel van Ag NW's en Ag NP's wordt waargenomen wanneer de concentratie van PVP wordt verhoogd tot 0,25 M (monster S3, aanvullend bestand 1:figuur S1b). Door de concentratie van PVP verder te verhogen tot 0,55 M (monster S4, aanvullend bestand 1:figuur S1c), wordt een groot aantal Ag NP's met verschillende vormen (inclusief bijna-bol en driehoekige plaat) gevormd. De resultaten geven aan dat een lagere of hogere concentratie van PVP niet gunstig is voor het produceren van zuivere Ag NW's, wat verder resulteert in de afwezigheid van Ag NW's. De vorming van Ag NP's in de producten bij het veranderen van de concentratie van PVP kan worden toegeschreven aan het falen van anisotrope groei over het gehele oppervlak van meervoudig gekoppelde nanodeeltjes (MTP's) [69, 74].

een , b SEM-afbeeldingen van gesynthetiseerde Ag NW's met respectievelijk PVP-40 en PVP-360. Beide PVP-concentraties zijn 0,15 M. ab ′ Overeenkomstige statistische verdeling van diameter en lengte. (De inzet in een en b zijn de bijbehorende SEM-afbeeldingen met hoge vergroting en alle schaalbalken zijn 500 nm)

Daarnaast wordt ook de invloed van PVP met verschillend molecuulgewicht op de morfologie en grootte van Ag NWs besproken. Alleen Ag NP's en geaggregeerde nanostaafjes worden geproduceerd bij gebruik van PVP-10 (monster S5, aanvullend bestand 1:figuur S1d). Bij afzonderlijk gebruik van PVP-58 (monster S6, aanvullend bestand 1:figuur S1e) en PVP-360 (monster S7, figuur 1b), worden de overeenkomstige morfologie en grootte van producten gewijzigd van stompe Ag NW's (met een gemiddelde diameter van 235 nm en een lengte van 6,7 m) tot Ag NW's met een hoge aspectverhouding (met een gemiddelde diameter van 132,1 nm en een lengte van 69,9 m). Volgens de bovengenoemde resultaten van monsters S2, S5, S6 en S7 speelt het gemiddelde molecuulgewicht van PVP niet alleen een vitale rol bij de morfologische vorming van Ag NW's, maar heeft het ook een significante invloed op de diameter en lengte van Ag NWs-producten . De invloed van PVP met verschillend gemiddeld molecuulgewicht op de morfologie en grootte van Ag NW's kan worden toegeschreven aan drie factoren:(i) PVP, aangezien het afdekmiddel bij voorkeur adsorbeert op de zijvlakken van MTP's [69]. De sterke chemische adsorptie bevordert de groei van lange Ag NW's [75]. (ii) Het sterische effect van de PVP-afdeklaag zorgt ervoor dat zilveratomen zich op de zijvlakken kunnen afzetten door de opening tussen aangrenzende PVP-moleculen, wat verder resulteert in de vorming van dikke Ag NW's [54]. (iii) De hoge viscositeit van PVP met een hoog gemiddeld molecuulgewicht in EG-oplossing zou de groeisnelheid vertragen, wat gunstig is om MTP's te vormen [76, 77]. Als resultaat zou het lage gemiddelde molecuulgewicht van PVP, zoals PVP-10, niet efficiënt adsorberen op de (100) kristalvlakken om de laterale groei te beperken. Ondertussen zouden het kleine sterische effect en de lage viscositeit de aggregatie van zilveren nanostructuren niet voorkomen. PVP met een hoog molecuulgewicht, zoals PVP-360, bezit een sterke chemische adsorptie aan de zijvlakken om lange Ag NW's te produceren. Maar het grote sterische effect van PVP-360 zou leiden tot een grotere diameter.

Om hoge aspectverhoudingen van Ag NW's te verkrijgen, moeten de adsorptiesterkte en het sterische effect worden bereikt tot een evenwichtstoestand in het PVP-gemedieerde systeem. Daarom worden de gemengde PVP-moleculen met verschillende molaire verhoudingen gebruikt als afdekmiddel en worden de overeenkomstige morfologie en grootteverdeling van Ag NW's getoond in Fig. 2 en Aanvullend bestand 1:Figuur S2. Bij het mengen van PVP-58 met PVP-40 in de molaire verhouding van 1:1, worden Ag NW's met een gemiddelde diameter van 47,5 nm en een lengte van 16,1 μm verkregen. Terwijl de molaire verhouding van PVP-40 en PVP-58 wordt aangepast tot 1:2 of 2:1, wordt de diameter van Ag NW's vergroot. Bovendien nemen de aspectverhoudingen van Ag NW's dramatisch toe bij het mengen van PVP-40 met PVP-360, omdat de diameters aanzienlijk worden verkleind. Wanneer de molverhouding van PVP-40 en PVP-360 1:1 is, bereiken de aspectverhoudingen bijna 1000 en hebben de diameters een meer uniforme verdeling zoals weergegeven in Fig. 2e.

SEM-beelden van Ag NW's gesynthetiseerd met behulp van verschillende gemengde PVP-moleculen. een PVP-40:PVP-58 = 2:1, b PVP-40:PVP-58 = 1:1, c PVP-40:PVP-58 = 1:2, d PVP-40:PVP-360 = 2:1, e PVP-40:PVP-360 = 1:1, f PVP-40:PVP-360 = 1:2, respectievelijk. Alle totale PVP-concentraties zijn 0,15 M en verschillende PVP-moleculen worden gemengd in een molaire verhouding. (De inzet in eenf zijn de bijbehorende SEM-afbeeldingen met een hoge vergroting en alle schaalbalken zijn 500 nm)

De invloed van gemengd PVP met verschillende ketenlengte op de diameters van Ag NW's kan kort worden geïnterpreteerd in Schema 1a. De PVP-moleculen met lange ketens kunnen de laterale groei van Ag NW's vertragen vanwege de sterke adsorptie aan de (100) facetten. Het grote sterische effect, als gevolg van de lange ketens, zorgt voor een relatief grote afstand tussen aangrenzende PVP-moleculen. Ag-atomen kunnen zich nog steeds op het oppervlak van Ag NW's afzetten door diffusie door de opening tussen aangrenzende PVP-moleculen, en dikke Ag NW's worden geproduceerd. Bij gebruik van de gemengde PVP met verschillende kettinglengtes, kan de PVP met korte keten de kloof tussen PVP met lange ketens vullen. Daarom kunnen de (100) facetten efficiënter worden gepassiveerd, wat leidt tot de vorming van kleinere Ag-zaden en dunnere Ag NW's [76]. Zoals getoond in Schema 1b, worden Ag NW's met typische aspectverhoudingen verkregen in ons werk. Er zou kunnen worden aangenomen dat Ag NW's met een hogere aspectverhouding via deze experimentele route kunnen worden geproduceerd.

een Schematische illustratie van het groeimechanisme van Ag NW's met behulp van gemengde PVP met verschillende ketenlengte. b Ag NW's met verschillende aspectverhoudingen worden verkregen door het PVP-gemedieerde polyolproces

De microstructuur en morfologie van Ag NW's worden gekenmerkt door TEM en gedemonstreerd in Fig. 3a, b. De enkele nanodraad wordt omhuld door de dunne PVP-laag met een dikte van ca. 2 nm. Figuur 3c toont het HRTEM-beeld van Ag NW's met een goede kristallijne structuur. Het HRTEM-beeld laat duidelijk zien dat de ruimten tussen de periodieke randen 0,235 en 0,202 nm zijn, in goede overeenstemming met de kristalvlakruimten voor (111) en (200) vlakken van kubisch (fcc) Ag met het gezicht gecentreerd. Ondertussen groeien Ag NW's in de richting [110], zoals aangegeven door de witte pijl, en het is vergelijkbaar met de resultaten in de eerdere rapporten [70, 76].

TEM (a , b ) en HRTEM (c ) afbeeldingen van Ag NW's gesynthetiseerd door PVP-40 te mengen met PVP-360 (in een molverhouding van 1:1)

Zoals getoond in Fig. 4, verschillen de UV-zichtbare absorptiespectra van als voorbereide Ag NW's van die van de quasi-sferische Ag NP's. De spectra van Ag NW's lijken dubbele karakteristieke pieken. Een schouderpiek op ongeveer 350 nm kan worden toegeschreven aan de plasmonresonantie van bulkzilverfilm [70, 78]. De tweede piek kan worden toegeschreven aan de transversale plasmonmodus van Ag NW's, en de piekpositie is gerelateerd aan de afmetingen van zilveren nanostructuren [79]. Terwijl de piek bij ongeveer 570 nm, die het gevolg is van de longitudinale plasmonresonantie, afwezig is in de spectra omdat de aspectverhoudingen van Ag NW's zoals bereid veel meer dan 5 zijn [70, 80]. Bovendien, zoals aangegeven door de gestippelde groene lijn, heeft de tweede piek een verschuiving naar rood met de toename van diameters. Het is echter opmerkelijk dat er geen duidelijke piek is wanneer de diameters van Ag NW's groter worden. Voor Ag NW's van monster S6 (gemiddelde diameter van 235 nm) en S10 (gemiddelde diameter van 222,8 nm), bevinden de maxima van de absorptie-intensiteit zich op de golflengte van respectievelijk 408,5 en 406,5 nm. Ze zijn kleiner dan de piekgolflengte van Ag NW's met kleinere diameters van monster S7 (gemiddelde diameter van 132,1 nm, de piekgolflengte is 412 nm), wat wijst op het loslaten van de roodverschoven neiging van de rechter piekgolflengte met grotere diameters.

UV-zichtbare absorptiespectra van bereide Ag NW's met verschillende diameters

Het is noodzakelijk om het spincoatingproces te optimaliseren om hoogwaardige Ag NWs-films te fabriceren. Zoals getoond in Fig. 5a, wordt waargenomen dat de plaatweerstand toeneemt naarmate de rotatiesnelheid toeneemt, omdat het aantal Ag NW's dat zich aan het oppervlak van PET vastklampt, afneemt, wat resulteert in de afname van de geleidbaarheid. Bovendien is het opmerkelijk dat de plaatweerstand aanzienlijk afneemt tot 19,6 Ω/sq bij gebruik van de 8 mg/ml Ag NWs-oplossing. En het neemt bijna vijfvoudig af vergeleken met het gebruik van 6 mg/ml, wat kan worden toegeschreven aan de vorming van efficiëntere geleidende percolatieroutes in het Ag NWs-netwerk, terwijl sommige macroscopische agglomeraten van Ag NWs verschijnen als de concentratie toeneemt tot 8 mg/ ml. Vervolgens wordt het herhaalde spincoatingproces uitgevoerd. Zoals getoond in figuur 5b, nemen zowel de doorlaatbaarheid als de velweerstand af naarmate de tijden van spincoating toenemen. Wat nog belangrijker is, is dat wanneer het volume van de Ag NW-oplossing wordt toegevoegd van 50 tot 75 μL, de plaatweerstand dramatisch afneemt van 98,46 tot 11,87 Ω/sq. Naarmate het volume verder toeneemt tot 100 μL, neemt de plaatweerstand af tot 10,42 Ω/sq met een transmissie van 80,95%. Het geeft aan dat de dichtheid van nanodraden in de nanogestructureerde transparante geleidende netwerken het omslagpunt kan bereiken waar de overgang van percolatiegedrag naar bulkgedrag plaatsvindt [81], wanneer het volume wordt toegevoegd aan 75 μL. Om de prestaties van NTE's te evalueren, wordt bovendien de figuur van verdienste (FOM) berekend die de doorlaatbaarheid correleert met de plaatweerstand. Over het algemeen is de transmissie (T λ ) en plaatweerstand (R s ) van een dunne metaalfilm voldoen aan de volgende Vgl. (1):

$$ {T}_{\lambda }={\left(1+\frac{188.5}{R_{\mathrm{S}}}\frac{\sigma_{\mathrm{op}}\left(\lambda \ rechts)}{\sigma_{DC}}\right)}^{-2} $$ (1)

een Bladweerstand van Ag NW's-films versus de spin-coatingsnelheid bij verschillende concentraties Ag NW's. b Vergelijking van opto-elektronische prestaties van Ag NTE's vervaardigd door verschillende volumes Ag NW's-oplossingen. De concentratie van Ag NWs-oplossing is 6 mg / ml en het volume van elke spincoating is 25 μL. De inzet is de FOM-waarden van Ag NWs-films versus het volume van Ag NWs-oplossing. cf SEM-afbeeldingen van Ag NWs-films vervaardigd door verschillende volumes Ag NWs-oplossingen, c 25 μL, d 50 μL, e 75 μL, f 100 μL, respectievelijk. Alle schaalbalken zijn 5 μm

σ op (λ) is de optische geleidbaarheid en σ DC is de gelijkstroomgeleiding van de film [37]. De waarde van σ DC/ σ op (λ) zijn werkzaam als FOM. En een hogere waarde van FOM betekent betere opto-elektronische prestaties. De inzet in Fig. 5b vertoont de FOM-waarden van NTE's vervaardigd door verschillende volumes Ag NW's-oplossingen. Wanneer het volume wordt toegevoegd tot 75 μL, heeft de Ag NW's de hoogste FOM-waarde, die dramatisch stijgt van 23,3 naar 162,6. Het geeft aan dat het evenwicht wordt bereikt tussen lage plaatweerstand en hoge transmissie bij het toepassen van driemaal spincoating. Bovendien toont Fig. 5c-f de SEM-afbeeldingen van Ag NWs-films op PET met verschillende dichtheden, overeenkomend met het volume van Ag NWs-oplossingen voor respectievelijk 25, 50, 75 en 100 μl. Uit de afbeeldingen blijkt duidelijk dat de Ag NW's-netwerken steeds dichter worden en dat de verdeling van Ag NW's uniformer is, naarmate het volume van de Ag NWs-oplossing toeneemt. Daarom is het herhaalde spincoatingproces beschikbaar om uniforme Ag-nanodraadfilms te fabriceren met verschillende transmissie- en plaatweerstanden voor verschillende toepassingen.

Voor toepassing in NTE's hebben de nanodraadjuncties een significante invloed op de geleidbaarheid van het willekeurige Ag NW's-netwerk [58]. In het polyolproces behouden de gesynthetiseerde Ag NW's een resterende geïsoleerde PVP-laag, wat resulteert in een hoge weerstand bij kruispunten en de verslechtering van de geleidbaarheid. Lee et al. [59] meldde dat het herhaaldelijk wassen met oplosmiddel de PVP-laag kan verminderen van ca. 4 nm tot 0,5 nm en maakt lassen op kamertemperatuur van de overlappende Ag NW's mogelijk. Evenzo herhaalden we om de as-gesynthetiseerde Ag NW's drie keer te wassen met ethylalcohol om de PVP-laag zoveel mogelijk te verwijderen. Zoals het bovengenoemde resultaat in figuur 3a, blijft er een dunne PVP-laag met een dikte van 2 nm over. Het kan niet alleen de junctieweerstand efficiënt verminderen, maar ook zorgen voor een goede dispersie van Ag NW's in het oplosmiddel. Aan de andere kant, voor breedteloze sticks in twee dimensies, is de kritische getalsdichtheid (N c ) van stokken om een ​​percolatienetwerk te creëren, wordt gegeven door Vgl. (2):

$$ {N}_c\times {L}^2=5,71 $$ (2)

L is de lengte van nanodraden [52]. Deze vergelijking houdt in dat de getalsdichtheid van Ag NW's die nodig zijn voor het percolatienetwerk omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de lengte. Daarom hebben lange nanodraden de neiging om een ​​dun en effectief percolatienetwerk te bouwen met een lage nummerdichtheid. Het kan niet alleen de lichttransmissie verhogen, maar ook de geleidbaarheid verbeteren door lange percolatieroutes te bouwen met minder nanodraadverbindingen.

Figuur 6a toont de vergelijking van opto-elektronische prestaties van NTE's vervaardigd door Ag NW's met verschillende beeldverhoudingen. Voor monsters S2 en S9 kan de vergroting van de parallelle transmissie worden toegeschreven aan de kleinere diameters, die afnamen van 104,4 tot 47,5 nm, omdat nanodraden met kleinere diameters minder licht kunnen verstrooien, wat leidt tot een verdere afname van de waas. Aangezien de aspectverhoudingen 500 overschrijden (monster S7), worden Ag NWs-films verkregen met een parallelle transmissie van 81,8% (87,2%) en een bladweerstand van 7,4 Ω/sq (58,4 Ω/sq). De opto-elektronische prestaties zijn vergelijkbaar met die van commerciële ITO-films (85%, 55 Ω/sq) [5]. Bovendien, wanneer de aspectverhoudingen bijna 1000 bereiken (monster S12), vertonen Ag NWs-films een superieure transmissie (91,6-95,0%) en elektronische geleidbaarheid (11,4-51,1 Ω / sq) dan ITO-films. Ze voldoen voldoende aan de prestatie-eisen van TE's bij de toepassing van zonnecellen of touchscreens. Bovendien, zoals weergegeven in figuur 6b, bereikt de grootste FOM-waarde 387, hoger dan veel andere gerapporteerde waarden van verschillende TE's [62, 73]. De uitstekende prestaties kunnen worden toegeschreven aan de lange en dunne Ag NW's. Daarnaast is het opmerkelijk dat de FOM-waarde dramatisch toeneemt van 89 naar 224 wanneer de beeldverhoudingen groter worden van 339 (voorbeeld S9) naar 529 (monster S7). De belangrijkste reden is waarschijnlijk dat de langere Ag NW's uit monster S7 een effectiever percolatienetwerk vormen met een kleiner aantal nanodraden, wat leidt tot veel meer lichttransmissie door het Ag NWs-netwerk. Het geeft aan dat de lange Ag NW's-strategie een gemakkelijke en effectieve manier is om NTE's met veelbelovende opto-elektronische prestaties te verkrijgen, wanneer de dunne Ag NW's met een diameter van minder dan 20 nm niet met succes worden gesynthetiseerd [52, 67]. Figuur 6c toont optische transmissiespectra van Ag NWs-films vervaardigd uit monster S12. De spectra tonen een breed vlak gebied van zichtbaar licht tot nabij-infraroodgolflengte, wat het gebruiksbereik van licht kan verbeteren en voordelig is voor weergave- en zonneceltoepassingen, terwijl de transmissie van ITO-films dramatische fluctuaties vertoont over het gebied van zichtbaar licht [7] ].

een Vergelijking van opto-elektronische prestaties van NTE's vervaardigd door Ag NW's met verschillende beeldverhoudingen (AR). b De beste FOM-waarden van Ag NWs-films versus de AR van Ag NWs. c De optische transmissiespectra van Ag NWs-films vervaardigd uit monster S12. d Percolatief cijfer van verdienste (П ), uitgezet tegen geleidbaarheidsexponenten (n ). De vaste lijnen zijn uitgezet bij de gegeven combinaties van transmissie (T ) en plaatweerstand (R s ), zoals berekend uit eq. (3). De geplotte gegevens van grafeen, SWNT's, Cu NW's, Ag NW's zijn afkomstig uit recent gepubliceerde rapporten [37, 67, 81]. Het stersymbool vertegenwoordigt de resultaten van Ag NWs-films vervaardigd met behulp van monster S12 uit dit werk

Om de opto-elektronische prestaties van Ag NWs-netwerken verder te evalueren, heeft de percolatieve FOM, П , werd voorgesteld in de Vgl. (3) door De et al. [81]:

$$ T={\left[1+\frac{1}{\varPi }{\left(\frac{Z_0}{R_{\mathrm{S}}}\right)}^{\frac{1}{ n+1}}\right]}^{-2} $$ (3)

Z 0 is de impedantie van vrije ruimte (377 Ω). T en R s vertegenwoordigen respectievelijk de doorlaatbaarheid en bladweerstand van Ag NWs-films. Hoge waarden van П betekent lage plaatweerstand en hoge doorlaatbaarheid. Percolatief FOM (П ) en geleidbaarheidsexponent (n ) in dit werk worden berekend op 89,8 en 1,50 met behulp van Vgl. (3), respectievelijk. De percolatieve FOM-waarde is hoger dan andere gerapporteerde waarden van verschillende TE's (getoond in figuur 6d). Het kan worden toegeschreven aan twee redenen:de dunne PVP-laag (ca. 2 nm) kan de weerstand van de nanodraadjunctie effectief verminderen. Aan de andere kant vormen de lange Ag NW's (ca. 71,0 μm) lange geleidende routes in de percolatienetwerken, wat resulteert in een afname van het aantal knooppunten. Interessant is dat de waarde van n is een niet-universele exponent die is gerelateerd aan de aanwezigheid van een verdeling van weerstand tegen nanodraadverbindingen [82,83,84]. Lee et al. [67] gebruikte een laser-nano-lasproces om de weerstand van de nanodraadverbinding te verminderen, en de waarde van n wordt berekend op 1,57. In ons werk ligt de waarde daar dicht bij. Het suggereert verder dat de dunne PVP-laag en lange Ag NW's efficiënt zijn om lassen bij lage temperatuur van het Ag NW-netwerk mogelijk te maken.

Figuur 7a toont optische foto's van de uniforme Ag NWs-film op PET. De film is zeer transparant omdat de schoolbadge op de achtergrond duidelijk door de film heen te zien is. Afbeelding 7b, Aanvullend bestand 1:Afbeelding S3 en Aanvullend bestand 2:Video S1 laten zien dat Ag NWs-film op PET de LED-lamp aanzet wanneer een laag voltage wordt toegepast. Het geeft aan dat het hele oppervlak van Ag NWs-film zeer geleidend is. In addition, The Ag NW film is very flexible as shown in Fig. 7c.

een Optical image of as-fabricated Ag NWs films on PET. b Ag NWs film is connected in an electric circuit in which an LED is lit. c Optical image of the flexible Ag NWs film

The video of Ag NWs flexible transparent electrodes. (AVI 9706 kb)

The mechanical stability of the fabricated Ag NTEs on PET substrate is evaluated by a bending test. As shown in Fig. 8, the bending test consists of 100 cycles of inner bending and 300 cycles of outer bending with a bending radio of 1.5 cm. No visible defects, such as cracking or tearing of the surface, are observed even after more than 400 cycles of bending test. And Ag NTEs exhibit a stable electronic performance with little change of sheet resistance. Its property to tolerate hundreds of mechanical bending test could be attributed to the flexibility of long Ag NWs and the benign adhesion to the substrate.

The bending test, including inner bending and outer bending. Both the bending radios are 1.5 cm. De inzet shows the bent Ag NTEs is still conductive over the whole surface. (R and R 0 represent the sheet resistance of films before and after bending test, respectively)

Conclusies

In summary, Ag NWs with different aspect ratios varying from ca. 30 to ca. 1000 are prepared via a facile PVP-mediated polyol process and are applied to the fabrication of high-performance Ag NTEs with low-temperature sintering. In the polyol process, the diameters of Ag NWs are strikingly reduced and the aspect ratios reach almost 1000 when employing mixed PVP as the capping agent. Additionally, when the aspect ratios exceed 500, the optoelectronic performance of Ag NWs films show good transmittance (81.8–87.2%) and electronic conductivity (7.4–58.4 Ω/sq), comparable to those of commercial ITO films (85%, 45 Ω/sq). Furthermore, high-performance Ag NTEs with a transmittance of 91.6% and a sheet resistance of 11.4 Ω/sq are obtained, as the aspect ratios exceed 1000. The long nanowires and thin PVP layer lead to less number of nanowire junctions and reduced junction resistance, respectively. It allows low-temperature sintering of Ag NWs network, which is advantageous for the applications in the flexible plastic substrates. Moreover, Ag NTEs show excellent flexibility against the bending test. We believe that the ability to synthesize Ag NWs with different aspect ratios and fabricate high-performance NTEs with low-temperature welding are very valuable to the development of flexible electronic devices.


Nanomaterialen

  1. Eenvoudige synthese en optische eigenschappen van kleine selenium nanokristallen en nanostaafjes
  2. Experimenteel onderzoek naar stabiliteit en natuurlijke convectie van TiO2-water nanovloeistof in behuizingen met verschillende rotatiehoeken
  3. Eenvoudige synthese van heterogestructureerde WS2/Bi2MoO6 als krachtige, zichtbaar licht-gedreven fotokatalysatoren
  4. Eenvoudige synthese van gekleurd en geleidend CuSCN-composiet gecoat met CuS-nanodeeltjes
  5. UV-behandeling van flexibele koperen nanodraadgaasfilms voor toepassingen met transparante geleiders
  6. Vervaardiging, karakterisering en biologische activiteit van avermectine nano-afgiftesystemen met verschillende deeltjesgroottes
  7. Gecontroleerde synthese van BaYF5:Er3+, Yb3+ met verschillende morfologie voor de verbetering van upconversie-luminescentie
  8. Milieuvriendelijke en gemakkelijke synthese van Co3O4-nanodraden en hun veelbelovende toepassing met grafeen in lithium-ionbatterijen
  9. Eenstaps sonochemische synthese en fotokatalytische eigenschappen van grafeen/Ag3PO4 Quantum Dots Composites in één stap
  10. Eenvoudige synthese van ultralange en dunne koperen nanodraden en de toepassing ervan op hoogwaardige flexibele transparante geleidende elektroden
  11. Verschillende soorten smeedgereedschappen en -apparatuur