CN102324462A - 基于纳米线的透明导体及其应用 - Google Patents

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代海霞
那朔
哈什·帕克巴滋
弗络瑞恩·普舍尼茨卡
希娜·关
加莱那·塞帕
迈克尔·A·斯贝德
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Abstract

本发明描述了一种透明导体，其包括涂覆在衬底上的传导层。更具体地，传导层包括可嵌在基质中的纳米线的网络。该传导层是光学透明的、是可构图的、并适于作为可视显示装置中的透明电极，例如，触摸屏、液晶显示器、等离子体显示板等。

Description

基于纳米线的透明导体及其应用
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求于2006年10月12日提交的第60/851,652号美国临时专利申请、于2007年4月10日提交的第60/911,058号美国临时专利申请、于2007年4月20日提交的第60/913,231号美国临时专利申请的优先权，所有上述申请通过引用而全部并入本文。
技术领域
本发明涉及透明导体、对其进行制备和构图的方法、以及透明导体的应用。
背景技术
透明导体是指涂覆在高透射率的表面或衬底上的传导薄膜。透明导体可被制造为具有表面传导性，同时保持较好的光学透明度。这种表面传导的透明导体被广泛地用作平面液晶显示器、触摸面板、电致发光器件以及薄膜光电池中的透明电极，并且用作防静电层及电磁波屏蔽层。
目前，例如铟锡氧化物(ITO)的真空沉积金属氧化物，是向电介质表面(例如玻璃和聚合物膜)提供光学透明性和导电性的行业标准材料。然而，金属氧化物膜在弯曲或受到其它物理应力时较脆弱且易于损坏。金属氧化物膜还需要较高的沉积温度和/或高退火温度，以达到高传导率水平。当金属氧化物膜粘合到易于吸收水分的衬底(例如塑料和例如聚碳酸酯的有机衬底)上时，也会存在问题。因此，金属氧化物膜在柔性衬底上的应用受到严重限制。此外，真空沉积是昂贵的工艺并需要专门的设备。此外，真空沉积工艺不利于形成构图和电路。这通常导致需要昂贵的构图工艺，如光刻。
传导聚合物也已经被用作光学透明导电体。然而，与金属氧化物膜相比，传导聚合物通常具有较低的传导率值和较高的光学吸收(尤其是在可见光波长)，并且缺乏化学稳定性和长期稳定性。
因此，在本领域中仍存在提供具有理想的电学、光学和力学性质的透明导体的需要，尤其是适于任何衬底并可在低成本、高产量的工艺中制造及构图的透明导体。
发明内容
本申请描述了基于光学透明基质中的导电纳米线的透明导体。该透明导体是可构图的，并适于作为多种装置中的透明电极，上述多种装置包括但不限于：显示装置(例如，触摸屏、液晶显示器、等离子体显示板等)、电致发光装置以及光电池。
一个实施方案描述了一种方法，包括：在衬底上形成纳米线网络，所述纳米线网络包括多根纳米线；根据图案在所述纳米线网络上形成基质，所述图案限定出所述纳米线网络的第一区域和第二区域，其中在所述第一区域中的所述纳米线网络包括基质保护的纳米线，在所述第二区域中的所述纳米线网络包括未保护的纳米线；对所述纳米线网络进行蚀刻，从而将所述未保护的纳米线溶解；以及除去所述未保护的纳米线。
另一实施方案描述了一种用于对传导层进行构图的方法，包括：在衬底上形成所述传导层，所述传导层包括基质和嵌在所述基质中的多根导电纳米线；在所述传导层上放置掩模，以限定掩模的区域和未掩模的区域；以及对所述未掩模的区域进行蚀刻。
又一实施方案描述了一种透明导体，包括：衬底；以及在所述衬底上的传导层，所述传导层包括多根金属纳米线以及基质，其中所述基质包括部分固化的聚合材料。
又一实施方案描述了一种开关装置，包括：透明电极；以及薄膜晶体管，其包括衬底、栅电极、半导体活性层、源极以及漏极，其中所述透明电极包括多根导电纳米线。
又一实施方案描述了一种滤色器，包括：透明衬底；多个有色像素，设置在所述透明衬底上；传导层，处于所述多个有色像素之上，其中所述传导层包括多根导电纳米线。
又一实施方案描述了一种液晶显示器，包括：底板，包括多个薄膜晶体管，每个薄膜晶体管均连接至像素电极；上板，包括多个彩色像素，所述多个彩色像素连接至公用电极；以及液晶层，设置在第一板和第二板之间，其中所述像素电极和所述公用电极中的至少一个包括多根导电纳米线。
又一实施方案描述了一种等离子体显示板，包括：底板，包括寻址电极；上板，包括显示电极；多个等离子体放电单元，位于所述底板和所述上板之间，其中所述显示电极包括多根导电纳米线。
又一实施方案描述了一种单结太阳能电池结构，包括：底部触点；半导体二极管，位于所述底部触点上；以及顶部触点，位于所述半导体二极管上，其中所述底部触点和所述顶部触点中的至少一个包括多根导电纳米线。
又一实施方案描述了一种多结太阳能电池，包括：底部触点；第一单元，位于所述底部触点上，所述第一单元包括第一半导体二极管；隧道二极管，位于所述第一单元上；第二单元，位于所述隧道二极管上，所述第二单元包括第二半导体二极管；以及顶部触点，其中所述底部触点和所述顶部触点中的至少一个包括多根导电纳米线，并且所述第一半导体二极管的带隙小于所述第二半导体二极管的带隙。
又一实施方案描述了一种电致发光装置，包括：底部电极；电致发光材料层，处于所述底部电极上；以及顶部电极，处于所述电致发光材料层上，其中所述顶部电极是光学透明的并包括多根导电纳米线。
又一实施方案提供了一种用于对传导层进行构图的方法，包括：在衬底上形成所述传导层，所述传导层包括基质和嵌在所述基质中的导电纳米线的网络；处理所述传导层的区域，以将所述区域中的所述导电纳米线转化为非传导性的纳米线，从而形成经构图的传导层，所述经构图的传导层包括具有第一电阻率的经处理的区域以及具有第二电阻率的未经处理的区域。
又一实施方案提供了一种电子器件，包括：衬底，具有至少一个表面起伏特征；以及透明传导层，处于所述衬底上，所述透明传导层包括多根导电纳米线，其中，一根或多根纳米线至少部分地沿所述衬底的所述至少一个表面起伏特征的轮廓设置。
又一实施方案提供了一种透明导体，包括：衬底；以及传导层，位于所述衬底上，所述传导层包括多根金属纳米线，其中对所述传导层进行构图，以使得所述透明导体的表面的第一区域是传导性的而所述透明导体的所述表面的第二区域是非传导性的，并且传导性的区域和非传导性的区域之间的线宽为5μm至50μm。
又一实施方案提供了一种透明导体，包括：衬底；以及传导层，位于所述衬底上，所述传导层包括多根金属纳米线，其中对所述传导层进行构图，以使得所述透明导体的表面的第一区域是传导性的而所述透明导体的所述表面的第二区域是非传导性的，并且处于所述传导性的区域和非传导性的区域之间的界面处的至少一部分所述纳米线断开。
又一实施方案提供了一种触摸屏装置，包括：第一透明传导层，包括金属纳米线，其中所述金属纳米线处于或高于电渗透水平；以及第二透明传导层，设置在所述第一透明传导层之上，并通过间隔器与所述第一透明传导层分隔开，所述第二透明传导层包括金属纳米线，其中所述金属纳米线处于或高于所述电渗透水平；并且所述第一透明传导层和所述第二透明传导层中的至少一个进一步涂覆有透明覆盖层，所述透明覆盖层包括处于低于所述电渗透水平的多个传导粒子。
又一实施方案提供了一种多层结构，包括：衬底；传导层，形成在所述衬底上，其中所述传导层包括多根第一金属纳米线，所述多根第一金属纳米线达到电渗透水平；以及覆盖层，形成在所述传导层上，所述覆盖层含有多个第二传导粒子，所述多个第二传导粒子低于所述电渗透水平。
又一实施方案提供了一种用于提供电磁屏蔽的方法，包括：提供包括多根金属纳米线和基质材料的复合物；将所述复合物施加在需要电磁屏蔽的衬底上；以及形成包括分散在所述基质材料中的所述多根金属纳米线的传导层，所述传导层具有不超过108Ω/□的表面电阻率。
附图说明
在附图中，相同的标号表示相似的元件或动作。附图中元件的尺寸和相对位置未必按比例画出。例如，各种元件的形状和角度并未按比例画出，并且有些元件被任意地放大或放置以提高附图的易读性。此外，所画的元件的具体形状并非旨在传达关于该具体元件的实际形状的任何信息，而只是为了便于在附图中的识别而选取。
图1是纳米线的示意图；
图2示出了银纳米椭球体在多种光波长的预期的光学性质；
图3示出了在聚对苯二甲酸乙二酯(PET)衬底上的银纳米线层的吸收光谱；
图4示出了对基于线直径的纳米线的各种电阻率性质的预期的值；
图5示出了作为纳米线直径的函数的预期的总电阻率；
图6示出了连接在两个金属接触点之间的单个银纳米线的SEM图像；
图7示出了作为用于透明导体的生物模板的丝状蛋白的网络；
图8示出了通过多个结合位点耦合至传导粒子的蛋白支架；
图9示出了基于相关肽的耦合的生物模板的传导网络的形成；
图10A示意性地示出了基于金属纳米线的透明导体的实施方式；
图10B示意性地示出了基于金属纳米线的透明导体的另一实施方式；
图10C示意性地示出了基于金属纳米线的透明导体的又一实施方式，其中部分金属纳米线暴露于透明导体的表面之上；
图10D示出了突出在透明导体表面外的银纳米线的SEM图像；
图10E示意性地示出了基于金属纳米线的透明导体的另一实施方式；
图10F示意性地示出了具有透明传导层的多层结构，该透明传导层涂覆有表面传导覆盖层；
图11示意性地示出了基于金属纳米线的、具有多层结构的透明导体的另一实施方式；
图12示出了具有用于传送汽相抑制剂(VPI)的储蓄器透明导体结构；
图13A-13D示出了透明导体的制备工艺的实例；
图14A示出了透明导体通过网涂覆的制备工艺的实例；
图14B示出了透明导体通过网涂覆的制备工艺的另一实例
图15A示出了用于制备透明导体的网涂覆系统和流程；
图15B示出了在施加压力的后处理之后的传导层的SEM图像；
图16A-16C示出了层压工艺的实例；
图17A-17C示出了层压工艺的另一实例；
图18示出了对传导层进行光构图的实例；
图19A-19B示出了适于网涂覆工艺的连续光构图方法的实例；
图20示出了制备构图的透明导体的部分系统和工艺；
图21A-21B为示出了基于纳米线的透明导体膜的保形的SEM图像；
图22为示出了基于纳米线的透明导体膜的耐热性的曲线图；
图23为根据一个实施方案的TFT底板的开关装置的剖视图；
图24示出了包括基于金属纳米线的透明电极的显示装置；
图25示出了根据一个实施方案的基于顶栅TFT的LCD的剖视图；
图26A示出了根据一个实施方案的TN模式LCD中的滤色器衬底的剖视图；
图26B示出了根据一个实施方案的IPS模式LCD中的滤色器衬底的剖视图；
图27示出了根据一个实施方案的PDP的剖视图；
图28示出了包括基于金属纳米线的两个透明导体的触摸屏装置；
图28A示出了触摸屏装置中的涂覆有覆盖层的两个相对的透明导体；
图29A示出了根据一个实施方案的单质结太阳能电池结构；
图29B示出了根据另一实施方案的异质结太阳能电池结构；
图29C示出了根据另一实施方案的多结太阳能电池结构；
图30示出了根据一个实施方案的薄膜EL装置；
图31示出了来自刚煮熟的鸡蛋黄的H2S气体的典型释放曲线；
图32A示出了在加速的H2S腐蚀测试之前以及之后，传导膜的六个样品的光透射率；
图32B示出了在加速的H2S腐蚀测试之前以及之后，传导膜的六个样品的电阻；
图32C示出了在加速的H2S腐蚀测试之前以及之后，传导膜的六个样品的霾；
图33示出了直接对基于纳米线的透明导体膜进行构图的实例；
图34A-34F示出了在胶带处理之前和之后、构图的传导膜在多种放大率水平下的照片；
图35A-35D示出了在溶剂处理之前和之后、另一示例性传导膜的照片；
图36A-36C示出了蚀刻进程以及在透明导体板上形成的最终图案；
图37A-37B示出了根据一个实施方案的利用酸蚀刻溶液的蚀刻速率；
图38A和38B示出了根据一个实施方案的构图和蚀刻工艺；
图39A和39B示出了利用根据一个实施方案的基于纳米线的透明导体膜涂覆商用滤色器；
图40A-40B示出了对透明导体层进行构图而不影响其光学性质的实施方案；以及
图41示出了通过蚀刻来构图的另一实施方案。
具体实施方式
某些实施方案涉及基于纳米线传导层的透明导体。具体地，传导层包括金属纳米线的稀疏网络。此外，传导层是透明的、柔性的，并且可包括至少一个传导性的表面。传导层可被涂覆或层压在多种衬底上，包括柔性的或刚性的衬底。传导层也可形成包括基质材料和纳米线的复合结构的一部分。典型地，基质材料可为复合结构赋予某些化学、力学和光学性质。其它的实施方案描述了对传导层进行制备和构图的方法。
传导纳米线
图1示出了长宽比等于长度L1除以直径d1的纳米线2。适当的纳米线的长宽比范围典型为10至100,000。更大的长宽比可利于得到透明导体层，这是因为更大的长宽比能够使更有效的传导网络形成，同时允许总密度更低的线具有高透明度。也就是说，当使用长宽比高的传导纳米线时，实现传导网络的纳米线的密度可足够低，以使得传导网络基本为透明。
定义层对光的透明度的一个方法是通过其吸收系数。穿过层的光的照度可定义为：
I＝I0e-ax
其中I0为在所述层的第一面上的入射光，I为呈现在该层的第二面上的照度水平，而e-ax为透明度因数。在该透明度因数中，a为吸收系数，x为该层的厚度。透明度因数接近1但小于1的层可认为是基本透明的。
图2-5示出了传导纳米线的某些光学和电学特性。
图2示出了银纳米椭球体对不同波长光线的光吸收的理论模型。取决于宽度和长度，银纳米椭球体对波长在400和440纳米之间的窄带光和波长在700nm以上的光表现出较高的消光系数。然而，银纳米椭球体在落入可见光范围中的约440nm至约700nm之间基本是透明的。
图3示出了沉积在聚对苯二甲酸乙二酯(PET)衬底上的一层银纳米线的吸收光谱。如该吸收曲线所示，PET衬底上的银纳米线层在约440nm至700nm之间基本是透明的，与图2中示出的理论模型结果一致。
图4和图5示出了金属纳米线基于其直径的电阻率的理论模型的结果。对于直径更大的纳米线，虽然其吸收更多的光，但是电阻率基本减小。如图4可看出，对基于晶界和表面散射的电阻率的影响在直径小于10nm时较高。当直径增加时，所述影响极大地减小。因此，当直径从10nm增加至超过100nm时，总的电阻率极大地减小(也参见图5)。然而，对于需要透明导体的应用，这种对电学性质的改进必须与减少的透明度进行平衡。
图6示出了单根银纳米线4，其在其它两个电终端6a和6b之间延伸，以提供从终端6a至终端6b的导电路径。术语“终端”包括接触点、传导节点和其它任何可电连接的起点和终点。对纳米线的物理参数长宽比、尺寸、形状和分布进行选择，以提供期望的光学和电学性质。选择这种将提供给定密度的银纳米线的线数量，以提供用于将终端6a连接至终端6b的可接受的导电性质。例如，数以百计的银纳米线4可从终端6a延伸至终端6b，以提供低阻抗的导电路径，并且可对浓度、长宽比、尺寸和形状进行选择，以提供基本透明的导体。因此，利用多根银纳米线，从终端6a至终端6b提供透明的电传导。
可以理解，从终端6a至终端6b的距离可使期望的光学性质并不是利用单根纳米线而获得。多根纳米线可需要在不同的点相互连接，以提供从终端6a至终端6b的传导路径。根据本发明，是基于期望的光学性质而对纳米线进行选择的。然后，选择提供期望的传导路径的纳米线的数量以及在该路径上总的阻抗，以达到对于从终端6a至终端6b的导电层可接受的电学性质。
透明层的电导率主要由a)单根纳米线的传导率、b)终端间的纳米线的数量、以及c)纳米线之间的连通性所控制。在低于一定纳米线浓度(也称为渗流阈值或者电渗流水平)的情况下，终端间的传导率是零，即因为纳米线被间隔开太远，所以不具有连续的电流路径。在高于该浓度时，至少有一个可用的电流路径。当提供更多的电流路径时，该层的总阻抗将减小。
传导纳米线包括金属纳米线和其它具有高的长宽比(例如高于10)的传导粒子。非金属纳米线的实例包括(但不限于)碳纳米管(CNT)、金属氧化物纳米线、传导聚合物纤维等。
在本文中，“金属纳米线”是指包括金属单质、金属合金或金属化合物(包括金属氧化物)的金属线。金属纳米线的至少一个剖面尺度小于500nm、小于200nm、或更优选地小于100nm。如上所述，金属纳米线的长宽比(长度∶直径)大于10，优选地大于50，更优选地大于100。适合的金属纳米线可基于任何金属，包括但不限于：银、金、铜、镍以及镀金的银。
金属纳米线可通过本领域公知的方法制备。具体地，可在存在多元醇(例如乙二醇)和聚乙烯吡咯烷酮的情况下，通过银盐(例如硝酸银)的溶液相还原来合成银纳米线。可根据例如Xia，Y.等人发表的文章Chem.Mater.(2002)，14，4736-4745以及Xia，Y.等人发表的文章Nanoletters(2003)3(7)，955-960中所描述的方法来准备相同尺寸的银纳米线的大规模生产。
可选地，可利用能够被矿化的生物模板(或生物支架)制备金属纳米线。举例来说，生物材料(例如病毒和噬菌体)可作为模板以制造金属纳米线。在某些实施方案中，生物模板可设计为对于特定类型的材料(例如金属或金属氧化物)表现出选择亲和性(selectiveaffinity)。对于纳米线的生物制备的更详细的描述可在例如Mao，C.B.等人在Science(2004)，303，213-217上发表的文章“Virus-Based Toolkitfor the Directed Synthesis of Magnetic and Semiconducting Nanowires”(用于磁性纳米线和半导体纳米线的定向合成的、基于病毒的工具箱)中找到。Mao，C.B.等人在PNAS(2003)，vol.100，no.12，6946-6951上发表的文章“Viral Assembly of Oriented Quantum Dot Nanowires”(导向量子点纳米线的病毒装配)；Mao，C.B.等人在PNAS(2003)，100(12)，6946-6951上发表的文章“Viral Assembly of Oriented QuantumDot Nanowires”(导向量子点纳米线的病毒装配)；第10/976,179号美国申请；以及第60/680,491号美国临时申请，它们通过引用而全部并入本文。
更具体地，可基于传导材料和生物模板上的某些结合位点(例如肽序列)之间的亲和性，直接将该传导材料或导体(例如金属纳米线)结合到生物模板上。
在其它实施方案中，可通过成核过程制造传导材料，在该成核过程期间，前体(precursor)转化为结合至生物模板的传导粒子，该传导粒子能够进一步生长为连续的传导层。这个过程也被称为“矿化”或“镀”。举例来说，金属前体(例如金属盐)可在存在还原剂的情况下被转化为金属单质。产生的金属单质结合至生物模板并生长为连续的金属层。
在其它的实施方案中，种子材料层最初在生物材料上成核。此后，金属前体可转化为金属并镀在种子材料层上。种子材料是可选择的，例如基于这样一种材料进行选择，即该材料引起成核现象并使金属从含有相应的金属前体的溶液中生长出来。举例来说，含有钯的种子材料层可引起铜或金的矿化。作为一个具体的实例，为了生产Cu导体，可用的种子材料可含有钯、钯基分子、Au或Au基分子。对于氧化物导体，氧化锌可用作成核材料。种子材料的实例包括Ni、Cu、Pd、Co、Pt、Ru、Ag、Co合金或Ni合金。可镀的金属、合金和金属氧化物包括(但不限于)Cu、Au、Ag、Ni、Pd、Co、Pt、Ru、W、Cr、Mo、Ag、Co合金(例如CoPt)、Ni合金、Fe合金(例如FePt)或者TiO2、Co3O4、Cu2O、HfO2、ZnO、氧化钒、氧化铟、氧化铝、锡铟氧化物、氧化镍、氧化铜、氧化锡、氧化二钽、氧化铌、氧化钒或氧化锆。
多种不同的生物材料中的任意一种可用来提供用于制造金属纳米线的模板，这些生物材料包括蛋白、肽、噬菌体、细菌、病毒等。在第10/155,883号和第10/158,596号美国申请中，描述了对将连接至期望的金属或传导材料的生物材料进行选择、成形和设计的技术；上述两个申请的申请人均为Cambrios Technologies Corporation，并且其通过引用而并入本文。
如上所述，例如蛋白、肽或其它生物材料的生物模板可被设计为具有用于所选的种子材料或所选的传导材料的亲和位点。可通过蛋白发现过程(例如噬菌体展示、酵母展示、细胞表面展示等)来识别对具体材料具有亲和性的蛋白或肽。例如在噬菌体展示时，可通过将多种不同序列的肽插入噬菌体群中建立噬菌体库(例如M13噬菌体)。对具体的目标分子具有高亲和力的蛋白可被隔离而其肽结构可被识别。
具体地，可控制生物分子的基因序列，以提供在某些类型的噬菌体粒子中的具体肽序列的多个拷贝。例如，约3000个P8蛋白的拷贝可排列在沿M13噬菌体粒子的长度的有序阵列中。可对P8蛋白进行修改，以包括具体的肽序列，该肽序列可对传导材料的形成进行成核或结合传导材料，从而提供高传导率的传导纳米线。有利地，这种技术具有通过使用生物模板分子(例如具有专门设计或控制的肽序列的蛋白)来控制纳米线的几何形状和晶体结构的能力。至此，对银、金或钯具有结合亲和性的肽或蛋白已被识别，该肽或蛋白可并入噬菌体结构以制造纳米线，该纳米线的尺寸基于噬菌体粒子的尺寸。
除了噬菌体以外的生物材料也可用作为用于形成传导纳米线的模板。例如，自装配为长度为几十微米的长链的丝状蛋白可用作为可选的模板(参见图7)。有利地，这种模板蛋白可被合成为具有比噬菌体大得多的长宽比，这导致传导纳米线的渗流阈值浓度更低。此外，蛋白比噬菌体颗粒更容易以大体积合成。蛋白(例如用作洗涤剂添加剂的酶)的大规模生产得到了良好的发展。
图8示出了蛋白支架8的示意图，其具有与传导粒子8b耦合的多个结合位点8a。对结合位点进行选择，以使其对传导粒子(例如Au、Ag、Cu和Ni)具有亲和性。可选地，结合位点8a对可进一步使传导粒子(例如Cu等)成核的种子材料层(例如Pd和Au)具有亲和性。蛋白支架8也可被设计为具有多个具有这种亲和性的结合位点8a。优选地，结合位点8a沿其长度以间歇且规则的间隔隔开，以增加最终传导层的传导率。
生物材料(例如蛋白)的长度和直径易于利用已知的技术来设计。为了实现光学性质，生物材料可被设计为具有恰当的尺寸。一旦选定了尺寸、形状和长宽比，生物材料就可暴露于传导材料8b，如金属或该金属的前体。
图9示出了利用生物模板制备传导纳米线的另一个实施方案。可将蛋白支架8进一步设计为在各端包括结合伙伴(例如相关肽9a和9b)。结合伙伴可通过任意类型的关联相互作用而相互耦合，包括例如离子相互作用、共价结合、氢键、疏水作用等。如图8中的最终序列所示，相关肽9a和9b之间的相互作用促使传导纳米线自装配为2D的互联网状网络。相关肽及其位置可以是这样的类型，即其促使传导层形成网状、端对端的连接、交叉连接以及所期望的其它形状。在图8所示的实例中，传导材料8b在蛋白支架形成网络之前，已结合至蛋白支架8。应该理解，蛋白支架8也可在结合传导材料之前形成网络。
因此，使用具有相关肽或其它结合伙伴的生物模板，以形成将可能具有随机纳米线的高度连接网络的传导层。因此，可选择生物模板的具体网络，以在传导层中获得期望的有序度。
基于模板的合成特别适于制备具有具体尺寸、形态和组分的纳米线。基于生物制造纳米材料进一步的优点包括：为了高产量可改良的溶液处理、环境温度沉积、较高的保形性(superior conformality)以及产生传导层。
传导层和衬底
作为说明性的实例，图10A示出了透明导体10，其包括涂覆在衬底14上的传导层12。传导层12包括多个金属纳米线16。该金属纳米线形成传导网络。
图10B示出了透明导体10′的另一个实例，其中在衬底14上形成传导层12′。传导层12′包括嵌在基质18中的多根金属纳米线16。
“基质”是指固态材料，金属纳米线在其中散布或嵌入。部分纳米线可从基质材料中突出，从而能够使用传导网络。基质是用于金属纳米线的宿主并且形成了传导层的物理形态。基质保护了金属纳米线免受不利的环境因素的影响，如腐蚀和磨损。具体地，基质显著地降低了环境中腐蚀性成分的渗透性，如湿度、痕量的酸、氧、硫等。
此外，基质使传导层具有良好的物理和力学性质。例如，基质可附着于衬底。此外，与金属氧化物膜不同，嵌有金属纳米线的聚合物基质或有机基质坚固且柔韧。如本文将更详细讨论的那样，利用柔性基质能够在低成本、高产量的工艺中制备透明导体。
此外，可通过选择适当的基质材料来调整传导层的光学性质。例如，通过利用具有期望的折射率、组分和厚度的基质，可有效地减少反射损耗和有害的眩光。
典型地，基质是光学透明材料。如果在可见光区(400nm-700nm)材料的光透射率至少为80％，则可认为该材料是“光学清晰的”或者“光学透明的”。除另有说明外，本文中描述的透明导体中的所有层(包括衬底和纳米线网络层)都优选为光学透明的。典型地，基质的光学透明度由多种因素确定，包括但不限于：折射率(RI)、厚度、RI贯穿厚度的连续性、表面(包括界面)反射以及霾(haze)(由表面粗糙度和/或嵌入粒子引起的散射损耗)。
在某些实施方案中，基质的厚度为约10nm至5μm、约20nm至1μm或约50nm至200nm。在其它实施方案中，基质的折射率约为1.3至2.5或约为1.35至1.8。
在某些实施方案中，基质是聚合物，也称为聚合物基质。光学透明聚合物是本领域公知的。适当的聚合物基质的实例包括(但不限于)：诸如聚甲基丙烯酸酯(例如聚甲基丙烯酸甲酯)、聚丙烯酸酯和聚丙烯腈的聚丙烯酸化物、聚乙烯醇、聚酯(例如，聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸酯和聚碳酸酯)、诸如酚醛塑料或甲酚-甲醛(Novolacs)的具有高度芳香性的聚合物、聚苯乙烯、聚乙烯基甲苯、聚乙烯基二甲苯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酰胺-酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚硫化物、聚砜、聚亚苯基、聚苯醚、聚氨酯(PU)、环氧、聚烯烃(例如聚丙烯、聚甲基戊烯和环烯烃)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、纤维素、硅酮及其它含硅的聚合物(例如聚倍半硅氧烷和聚硅烷)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙酸酯、聚降冰片烯、合成橡胶(例如EPR、SBR、EPDM)、含氟聚合物(例如聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯(TFE)或聚六氟丙烯)、氟烯烃和烃烯烃(例如Lumiflon
Figure BSA00000555162600142
)的共聚物以及无定形碳氟聚合物或共聚物(例如，Asahi Glass Co.公司的CYTOP
Figure BSA00000555162600143
或DU Pont公司的Teflon
Figure BSA00000555162600144
AF)。
在其他实施方案中，本文描述的聚合物基质包括部分聚合的或部分固化的聚合物。与完全聚合的或完全固化的基质相比，部分固化的基质的交联程度和/或聚合度更低且分子量更小。因此，部分聚合的基质可以在某些条件下蚀刻，并且可以应用传统的光刻法进行构图。在适当的聚合条件下，可以对部分固化的基质进一步进行固化，从而进行进一步的交联和聚合，以提供分子量比部分固化的基质的分子量更大的基质。可以对部分固化的基质进行蚀刻，之后进行进一步固化的步骤，从而提供已构图且完全固化的透明导体膜。适当地部分固化的聚合物的实例包括(但不限于)：部分固化的丙烯酸酯、硅酮-环氧物、硅氧烷、酚醛、环氧物、聚氨酯、硅倍半氧烷和聚酰亚胺。
本领域技术人员可以理解，聚合度会影响蚀刻条件(溶液)，在该蚀刻条件下部分聚合的基质和/或纳米线可溶解。典型地，聚合度越高，就越难对基质进行蚀刻。
优选地，部分固化的基质具有可接受的物理完整度，以保护其中的纳米线。这是所期望的，因为终端用户会进行其自身的构图以及之后的固化，从而获得最终的透明导体膜。
在其它的实施方案中，基质是无机材料。举例来说，可以使用基于硅石、莫来石、氧化铝、SiC、MgO-Al2O3-SiO2、Al2O3-SiO2、MgO-Al2O3-SiO2-Li2O或它们的混合物的溶胶-凝胶基质。
在某些实施方案中，基质本身是传导性的。例如，基质可以是传导聚合物。传导聚合物是本领域公知的，包括(但不限于)：聚3，4-乙烯基二氧噻吩(PEDOT)、聚苯胺、聚噻吩和聚丁二炔。
“传导层”或“传导膜”是指提供了透明导体的传导介质的金属纳米线的网络层。当存在基质时，金属纳米线的网络层与基质的结合也称为“传导层”。因为传导性是通过电荷从一根金属纳米线渗透到另一根金属纳米线而实现的，所以在传导层中必须存在足够的金属纳米线，从而达到电渗透阈值并变为传导性的。传导层的表面电导率与传导层的表面电阻率成反比，表面电导率有时称为薄层电阻，可用本领域公知的方法对表面电导率进行测量。
同样，当基质存在时，基质必须填充有足够的金属纳米线以变为传导性。如本文中所使用的，“阈值装填量”是指在装填传导层之后金属纳米线按重量的百分比，其中传导层的表面电阻率不大于约106欧姆/平方(或Ω/□)。更为典型的是，表面电阻率不大于105Ω/□、不大于104Ω/□、不大于1000Ω/□、不大于500Ω/□或者不大于100Ω/□。阈值装填量取决于以下因素，如长宽比、定向度、团聚度以及金属纳米线的电阻率。
正如本领域技术人员所理解的那样，通过在其中高度装填任意粒子，可能使基质的力学和光学性质发生改变或受到影响。有利地，金属纳米线的较高长宽比使得对于银纳米线而言在阈值表面装填量优选为约0.05μg/cm2至约10μg/cm2、更优选为从约0.1μg/cm2至约5μg/cm2，更优选为从约0.8μg/cm2至约3μg/cm2时形成穿过基质的传导网络。该表面装填量不影响基质的力学或光学性质。这些数值强烈地依赖于纳米线的尺寸和空间分布。有利地，可通过调整金属纳米线的装填量来提供具有可调谐的电导率(或表面电阻率)和光学透明度的透明导体。
在某些实施方案中，如图10B所示，传导层跨越了基质的整个厚度。有利地，由于基质材料(例如聚合物)的表面张力，某部分的金属纳米线在基质的表面19上暴露。该特征对于触摸屏的应用尤其有用。具体地，透明导体可在其至少一个表面上表现出表面传导性。图10C示出了嵌在基质中的金属纳米线的网络如何实现表面传导性。如图所示，当某些纳米线(例如纳米线16a)可完全“淹没”在基质18中时，其它纳米线(例如16b)的端部突出在基质18的表面19的上方。此外，纳米线的中段(例如中段16c)的一部分可突出在基质18的表面19的上方。如果足够的纳米线端部16b和中段16c突出在基质18的表面19的上方，则透明导体的表面变为传导性的。图10D是透明导体的一个实施方案的表面的扫描电子显微照片，其示出了在透明导体中的基质上方突出的纳米线的端部和中段的轮廓。
在其它的实施方案中，如图10E所示，传导层由嵌在基质的一部分中的金属纳米线形成。传导层12″只占据了基质18的一部分，并且完全“淹没”在基质18中。
此外，以纳米线填充的传导层可以用一个或多个介电涂层(例如，覆盖层或防眩光膜)来涂覆，该介电涂层保护或增强传导层的性能。在这些情况下，传导层可以不是表面传导的，但具有平面内传导性的特征。
在某些实施方案中，覆盖层中的表面传导性可以通过在覆盖层中加入多个纳米尺寸的传导粒子来建立。如图10F所示，在衬底14上沉积基于纳米线的传导层10。传导层10包括纳米线16，纳米线16达到渗透阈值并建立了平面内传导性。在传导层10上形成覆盖层17。在覆盖层17中嵌入多个传导粒子17a。有利地，纳米尺寸的传导粒子在覆盖层中的装填水平无需达到渗透阈值而呈现表面传导性。传导层保持为当前承载的介质，该介质中的纳米线已经达到电渗透水平。覆盖层中的传导粒子由于其穿过覆盖层的厚度与下面的纳米线接触，因而提供表面传导性。
因此，一个实施方案提供了多层结构，包括：衬底；形成在衬底上的传导层，其中传导层包括达到电渗透水平的多根第一金属纳米线；该多层结构还包括形成在传导层上的覆盖层，覆盖层含有低于电渗透水平的多个第二传导粒子。
如本文所使用的那样，纳米尺寸的传导粒子是指至少一个维度不大于500nm的传导粒子，更典型地，不大于200nm。适当的传导粒子的实例包括(但不限于)：ITO、ZnO、掺杂的ZnO、金属纳米线(包括本文所描述的金属纳米线)、金属纳米管、碳纳米管(CNT)等等。
“衬底”或“选择的衬底”是指在其上涂覆或层压透明导体的材料。衬底可以是刚性或柔性的。衬底可以是刚性的或柔性的。衬底可以是透明的或不透明的。如下文所讨论的那样，典型地，术语“选择的衬底”连同层压工艺一起使用。适当的刚性衬底包括：例如，玻璃、聚碳酸酯、丙烯酸树脂等。适当的柔性衬底包括(但不限于)：聚酯(例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸酯和聚碳酸酯)、聚烯烃(例如线型的、分支的和环状的聚烯烃)、聚乙烯(例如聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯醇缩乙醛、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯等)、纤维素酯碱(例如三醋酸纤维素、醋酸纤维素)、诸如聚醚砜的聚砜、聚酰亚胺、硅酮以及其它传统的聚合物膜。适当衬底的其他实例可以在例如第6,975,067号美国专利中找到。
典型地，传导层的光学透明度或清晰度可由以下参数定量地限定，包括光透射率和霾。“光透射率”(或者“透光率”)是指通过介质传输的入射光的百分比。在多个实施方案中，传导层的光透射率至少为80％，并且可高达98％。对于其中的传导层沉积或层压在衬底上的透明导体，整个结构的光透射率可能略有减小。诸如粘合层、防反射层、防眩光层的性能增强层可进一步有助于减小透明导体的总的光透射率。在多个实施方案中，透明导体的光透射率可以是至少50％、至少60％、至少70％或至少80％，并且可以高达至少91％至92％。
霾是光漫射的指数。霾是指从入射光中分离出来并在传输的过程中散射的光的数量百分比。光透射在很大程度上是介质的性质，与之不同的是，霾经常和产品有关，且典型地是由表面粗糙度和介质中的嵌入粒子或组分的不均匀性所导致的。在多个实施方案中，透明导体的霾不超过10％、不超过8％或不超过5％，并可低至不超过2％至0.5％。
性能增强层
如上所述，由于基质，使得透明导体具有优良的物理和力学特性。可通过在透明导体结构中引入附加层进一步增强这些特性。因而，在其它的实施方案中描述了多层透明导体，其包括一个或多个层，如防反射层、防眩光层、粘合层、阻挡层和硬质涂层。
作为说明性的实例，图11示出了如上所述的、包括传导层12和衬底14的多层透明导体20。多层透明导体20还包括位于传导层12上的第一层22、位于传导层12与衬底14之间的第二层24以及位于衬底14之下的第三层26。除非另有说明，层22、24和26中的每个均可为一个或多个防反射层、防眩光层、粘合层、阻挡层、硬质涂层和保护膜。
层22、24和26提供多种功能，如增强整体的光学性能和提高透明导体的力学性质。这些附加层(也称为“性能增强层”)可以是一个或多个防反射层、防眩光层、粘合层、阻挡层和硬质涂层。在某些实施方案中，一个性能增强层提供了多种益处。例如，防反射层也可起到硬质涂层和/或阻挡层的作用。如本文所限定的，性能增强层除了其特定的性质之外也是光学透明的。
在一个实施方案中，层22是防反射层，层24是粘合层，而层26是硬质涂层。
在另一实施方案中，层22是硬质涂层，层24是阻挡层，而层26是防反射层。
在又一实施方案中，层22是防反射层、防眩光层、阻挡层和硬质涂层的结合，层24是粘合层，而层26是防反射层。
“防反射层”是指可减少在透明导体的反射表面上的反射损耗的层。因此，防反射层可位于透明导体的外表面上或者定位为层与层之间的界面。适于作为防反射层的材料是本领域公知的，包括(但不限于)：含氟聚合物、含氟聚合混合物或共聚物，例如参见第5,198,267号、5,225,244号和7,033,729号美国专利。
在其它的实施方案中，可通过控制防反射层的厚度有效地减少反射损耗。例如，参见图11，可对层22的厚度进行控制，以使得表面28和表面30的光反射相互抵消。因此，在多个实施方案中，防反射层的厚度约为100nm或200nm。
也可通过适当地使用有纹理的表面减少反射损耗，例如参见第5820957号美国专利以及来自MacDiarmid Autotype的AutoflexMARAGTM和MotheyeTM产品上的说明书。
“防眩光层”是指通过在表面上提供良好的粗糙度以分散反射，从而减少在透明导体的外表面上的有害反射的层。适当的防眩光材料是本领域公知的，包括(但不限于)：硅氧烷、聚苯乙烯/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)混合物、漆(例如醋酸丁酯/硝化纤维/蜡/醇酸树脂)、聚噻吩、聚吡咯、聚氨酯、硝化纤维和丙烯酸酯，上述所有材料都可包括光漫射材料，如胶体或雾化硅石。例如参见第6,939,576号、5,750,054号、5,456,747号、5,415,815号和5,292,784号美国专利。这些材料的混合物和共聚物可具有微量的组分不均匀性，其也可以表现出光漫射行为以减少眩光。
“硬质涂层”或“抗磨损层”是指提供防止刮擦和磨损的附加表面保护的涂层。适当的硬质涂层的实例包括诸如聚丙烯酸酯、环氧树脂、聚氨酯、聚硅烷、硅酮、聚(硅丙烯酸酯)等的合成聚合物。典型地，硬质涂层也包括胶体硅石(例如参见第5,958,514号、7,014,918号、6,825,239号美国专利以及其中引用的参考)。硬质涂层的厚度典型约为1至50μm。可通过本领域公知的方法估计硬度，如通过在300g/cm2的负载下使用#000钢丝棉以2次往复/秒的速率在2cm内往复50次来擦涂层(例如参见第6,905,756号美国专利)。可通过本领域公知的方法，将硬质涂层进一步进行防眩光工艺或防反射处理。
“粘合层”是指将两个相邻层(例如传导层和衬底)结合在一起而不影响各层的物理性质、电学性质或光学性质的任何光学透明材料。光学透明的粘合材料是本领域公知的，包括但不限于：丙烯酸树脂、氯化烯烃树脂、氯乙烯-醋酸乙烯共聚物树脂、马来酸树脂、氯化橡胶树脂、环化橡胶树脂、聚酰胺树脂、古马隆(cumarone)茚树脂、乙烯-醋酸乙烯共聚物树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、苯乙烯树脂、聚硅氧烷等。
“阻挡层”是指减少或防止气体或流体渗入透明导体的层。已经示出了被腐蚀的金属纳米线可引起透明导体的电导率和光透射率的明显下降。阻挡层可以有效地抑制大气中腐蚀性气体进入透明导体并接触基质中的金属纳米线。阻挡层是本领域公知的，包括但不限于：例如参见第2004/0253463号美国专利申请、第5,560,998号和4,927,689号美国专利、第132,565号欧洲专利以及第57,061,025号日本专利。此外，防反射层、防眩光层和硬质涂层均可作为阻挡层。
在某些实施方案中，多层透明导体可进一步包括在传导层上方的保护膜(例如22层)。该保护膜典型为柔性的，并可由与柔性衬底相同的材料制作。保护膜的实例包括，但不限于：聚酯、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、丙烯酸树脂、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯、三乙酸酯(TAG)、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯丁缩醛、金属离子-交联乙烯-甲基丙烯酸共聚物、聚氨酯、玻璃纸、聚烯烃等；由于其强度高，因而特别优选地是PET、PC、PMMA或TAC。
防腐剂
在其它的实施方案中，除了如上所述的阻挡层(或代替阻挡层)，透明导体还可包括防腐剂。不同的防腐剂可对基于不同机理的金属纳米线提供保护。应该理解的是，适当地选择防腐剂可以为金属纳米线抵抗不利环境的影响(包括氧化和硫化)提供一定程度的保护。
根据一个机理，防腐剂易于结合至金属纳米线，在金属表面上形成保护膜。防腐剂也称为形成阻挡的防腐剂。
在一个实施方案中，形成阻挡的防腐剂包括某些含氮的和含硫的有机化合物，如芳香三唑、咪唑及噻唑。现已证明这些化合物在金属表面上形成稳定的络合物，从而提供在该金属和其环境之间的阻挡物。例如，苯并三唑(BTA)是用于铜或铜合金的普通的有机防腐剂(方案1)。也可以使用烷基取代的苯并三唑，如甲苯基三唑和丁基苄唑(例如参见第5,270,364号美国专利)。防腐剂额外的适当实例包括，但不限于：2-氨基嘧啶、5，6-二甲基苯并咪唑、2-氨基-5-巯基-1，3，4-噻重氮、2-巯基嘧啶、2-巯基苯并恶唑、2-巯基苯并噻唑以及2-巯基苯并咪唑。
方案1
Figure BSA00000555162600211
另一类形成阻挡的防腐剂包括对金属表面显示出独特的亲和性的生物分子。包括小生物分子，例如半胱氨酸和合成肽，以及具有对金属的亲和性的融合肽序列的蛋白支架，例如EEEE；例如参见申请号为10/654,623、10/665,721、10/965,227、10/976,179和11/280,986的美国专利申请，申请号为60/680,491、60/707,675和60/680,491号美国临时专利申请。
其它形成阻挡的防腐剂包括二硫代噻重氮、烷基二硫代噻重氮和烷基硫醇，烷基为饱和的C6-C24直烃链。这种类型的防腐剂可在金属表面上自组装以形成单层(方案2)，从而保护金属表面不受腐蚀。
方案2
Figure BSA00000555162600221
在具体的实施方案中，透明导体可包括含有防腐剂的储蓄器，以提供气相防腐剂的连续供应。适于这种持续传送的防腐剂包括“气相抑制剂”(VPI)。VPI典型为挥发性的固体材料，其升华并在金属纳米线的表面上形成单层。有利地，为了长期持久的保护，VPI能够传送至金属表面并以持续的方式补充。如本文所述，适当的VPI包括诸如三唑、二硫代噻重氮、烷基二硫代噻重氮和烷基硫醇的形成阻挡的抑制剂。
图12示出了这种适于触摸屏的透明导体结构。更具体地，边缘密封32和间隔物36位于两个传导层12之间。在两个传导层12之间的空间中，存在一个或多个储蓄器40。储蓄器40极小且稀疏地分布，以使得储蓄器40的存在不会引起透明导体的透光率的减小。储蓄器含有可并入聚合物基质中或注入多孔材料中的防腐剂，该防腐剂可从多孔材料升华为气相，从而在金属纳米线的表面上形成单层44(见插图)。
根据另一机理，防腐剂与腐蚀性成分(例如H2S)比与金属纳米线更容易结合。该防腐剂也称为“清除剂”或“吸气剂”，其与金属竞争并隔绝腐蚀性成分。H2S清除剂的实例包括，但不限于：丙烯醛、乙二醛、三嗪和n-氯代琥珀酰亚胺(例如参见已公开的第2006/0006120号美国专利申请)。
在某些实施方案中，如果防腐剂的存在不会不利地影响传导层的光学或电学性质，则防腐剂(例如H2S清除剂)可分散在基质中。
在其它一些的实施方案中，金属纳米线可在被沉积到衬底上之前或之后，用防腐剂进行预处理。举例来说，可用形成阻挡的防腐剂(例如BTA和二硫代噻重氮)对金属纳米线进行预涂覆。此外，也可用防变色溶液对金属纳米线进行处理。金属防变色处理是本领域公知的。针对H2S腐蚀的具体处理在第4,083,945号美国专利和已公开的第2005/0148480号美国专利申请中描述。
在其它的实施方案中，金属纳米线可与另一种更不易于被大气成分腐蚀的金属形成合金，或者镀有该种金属。例如，银纳米线可镀有更不易受到氧化和硫化的金。
在某些实施方案中，本文描述的透明导体可由多种涂覆方法制备，包括板带涂覆和高产量的网涂覆。在其它的实施方案中，可使用层压方法。有利地，与当前制备金属氧化物膜的工艺不同，本文描述的制备工艺不需要真空沉积。相反，该制备工艺可利用传统的溶液处理设备进行。此外，该制备工艺与直接对透明导体进行构图是相容的。
纳米线的沉积和透明导体的制备
因此，在某些实施方案中，本文描述了制备透明导体的方法，包括：在衬底上沉积分布在流体中的多根金属纳米线；以及通过使该流体干燥而在衬底上形成金属纳米线网络层。
金属纳米线可以如上文所述的那样制备。金属纳米线典型地分散在液体中以便于沉积。应当理解，如本文所使用的那样，“沉积”和“涂覆”可以互换使用。金属纳米线在其中可形成稳定的分散(也称为“金属纳米线分散体”)的、任何非腐蚀性液体都可以使用。优选地，金属纳米线分散在水、酒精、酮、醚、碳氢化合物或芳香族溶剂(苯、甲苯、二甲苯等)中。更优选地，该液体是挥发性的，沸点不超过200℃，不超过150℃或不超过100℃。
此外，金属纳米线分散体可含有添加剂和粘合剂，以控制粘度、腐蚀性、附着力以及纳米线分散体。适当的添加剂和粘合剂的实例包括，但不仅限于，羧甲基纤维素(CMC)，2-羟乙基纤维素(HEC)，羟丙基甲基纤维素(HPMC)，甲基纤维素(MC)，聚乙烯醇(PVA)，三丙二醇(TPG)和黄原胶(XG)，以及诸如乙氧基化物、烷氧基化物、环氧乙烷、环氧丙烷及其共聚物、磺酸盐、硫酸盐、二磺酸盐、磺基琥珀酸盐、磷酯以及氟表面活性剂(例如，DuPont的Zonyl
Figure BSA00000555162600241
)的表面活性剂。
在一个实例中，按重量计算，纳米线分散体或“墨水”包括，从0.0025％至0.1％的表面活性剂(例如，对于Zonyl
Figure BSA00000555162600242
FSO-100更优选的范围是从0.0025％至0.05％)，从0.02％至4％的粘度调节剂(例如，对于HPMC更优选的范围是0.02％至0.5％)，从94.5％至99.0％的溶剂以及从0.05％至1.4％的金属纳米线。适当的表面活性剂的典型实例包括Zonyl
Figure BSA00000555162600243
FSN、ZonylFSO、Zonyl
Figure BSA00000555162600245
FSH、Triton(×100、×114、×45)、Dynol(604、607)、n-十二烷基-b-D-麦芽糖苷和Novek。适当的粘度调节剂的实例包括羟丙基甲基纤维素(HPMC)、甲基纤维素、黄原胶、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟乙基纤维素。适当的溶剂的实例包括水和异丙醇。
分散体中的纳米线浓度可以影响或决定纳米线网络层的参数，诸如厚度、传导率(包括表面传导率)、光透射率以及机械性能。可以调整溶剂的百分比，从而在分散体中提供所需的纳米线浓度。然而，在更优选的实施方案中，其它成分的相对比率可保持不变。具体地，表面活性剂相对于粘度调节剂的比率优选为约80比约0.01；粘度调节剂相对于金属纳米线的比率优选为约5比约0.000625；以及金属纳米线相对于表面活性剂的比率优选为约560比约5。分散体成分的比率可根据使用的衬底及应用方法而修改。对于纳米线分散体，优选的粘度范围在约1和100cP之间。
可选地，可对衬底进行预处理以制备表面，从而更好地接收随后沉积的纳米线。表面的预处理提供多个功能。例如，其能够沉积均匀的纳米线分散体层。此外，其可以为随后的工艺步骤而将纳米线固定在衬底上。此外，预处理可以和构图步骤一起进行，以产生纳米线的构图沉积。如下文将更详细地进一步讨论的那样，预处理包括溶剂或化学清洗、加热、沉积可选择地构图的中间层，以使纳米线分散体呈现适当的化学或离子状态，以及进一步的表面处理，如等离子处理、UV臭氧处理或电晕放电。
在沉积之后，液体通过蒸发而除去。蒸发可通过加热(例如烘)而加速。产生的纳米线网络层可能需要后处理以使其能够导电。该后处理可以是这样的工序，其包括利用热、等离子体、电晕放电、UV臭氧或如下文所述的压力。
因此，在某些实施方案中，本文描述了制备透明导体的方法，包括：在衬底上沉积分散在流体中的多个金属纳米线；通过使流体干燥而在衬底上形成金属纳米线网络层，在该金属纳米线网络层上涂覆基质材料，以及使该基质材料固化以形成基质。
如本文所定义的那样，“基质材料”是指能够固化为基质的材料或材料的混合物。“使固化”或“固化”是指这样的工艺，其中单体或部分聚合物(少于150个单体)聚合和/或交叉连接，以形成固态聚合物基质。适当的聚合条件是本领域公知的，作为实例其包括，对单体进行加热，用可见光或紫外(UV)光、电子束等辐射单体。此外，同时由去除溶剂造成的聚合物/溶剂体系的“凝固”也在“固化”的意义范围内。
固化程度可以通过选择单体的初始浓度以及交联剂的量来控制。固化程度还可以通过调节固化参数(诸如用于聚合的时间以及发生聚合的温度等等)来操纵。在某些实施方案中，可以对部分固化的基质进行淬火，以停止固化过程。固化程度或聚合度可以通过例如固化聚合物的分子量或者通过位于表示活性化学物种的波长处的光学吸收来监控。
因此，在某些实施方案中，基质材料包括可以完全或部分固化的聚合物。光学透明聚合物是本领域公知的。适当的聚合物基质的实例包括，但不限于：诸如聚甲基丙烯酸酯、聚丙烯酸酯和聚丙烯腈的聚丙烯酸酯(或“丙烯酸酯”)、聚乙烯醇、聚酯(例如，聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚萘二甲酸酯和聚碳酸酯)、诸如酚醛塑料或甲酚-甲醛(Novolacs
Figure BSA00000555162600251
)的具有高度芳香性的聚合物、聚苯乙烯、聚乙烯基甲苯、聚乙烯基二甲苯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚酰胺-酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚硫化物、聚砜、聚亚苯基、聚苯醚、聚氨酯(PU)、环氧物、硅酮-环氧物、聚烯烃(例如聚丙烯、聚甲基戊烯和环烯烃)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、纤维素、硅酮及其它含硅的聚合物(例如聚倍半硅氧烷和聚硅烷)、硅酮-硅氧烷、聚氯乙烯(PVC)、聚乙酸酯、聚降冰片烯、合成橡胶(例如EPR、SBR、EPDM)、含氟聚合物(例如聚偏二氟乙烯、聚四氟乙烯(TFE)或聚六氟丙烯)、氟烯烃和烃烯烃(例如Lumiflon
Figure BSA00000555162600261
)的共聚物以及无定形碳氟聚合物或共聚物(例如，Asahi Glass Co.公司的CYTOP
Figure BSA00000555162600262
或DU Pont公司的Teflon
Figure BSA00000555162600263
AF)。
在其它的实施方案中，基质材料包括预聚物。如本文所述，“预聚物”是指单体的混合物，或者可以聚合和/或交联以形成聚合基质的低聚物或部分聚合物的混合物。本领域的技术人员会针对期望的聚合基质选择适当的单体或部分聚合物。
在优选的实施方案中，预聚物是可用光固化的，即该预聚物通过暴露于辐射而聚合和/或交联。如将会更详细描述的那样，基于可用光固化预聚物的基质可通过在选择性的区域暴露于辐射而被构图。在其它的实施方案中，预聚物是可用热固化的，其可以通过选择性地暴露于热源而被构图。
通常，基质材料是液体。基质材料可选择性地包含溶剂。任何能有效地使基质材料溶剂化或分散的非腐蚀性溶剂都可以使用。适当的溶剂的实例包括水、酒精、酮、四氢呋喃、碳氢化合物(例如环己烷)或芳烃溶剂(苯、甲苯、二甲苯等)。更优选地，该溶剂是挥发性的，其沸点不超过200℃、不超过150℃或者不超过100℃。
在某些实施方案中，基质材料可包括交联剂、聚合引发剂、稳定剂(例如，包括抗氧化剂、用于更长的产品寿命的紫外线稳定剂，以及用于更大的搁置寿命的聚合抑制剂)、表面活性剂等。在其它的实施方案中，基质材料可进一步包括防腐剂。
如本文所述，可通过例如板带涂覆、网涂覆、印刷和层压制备透明导体。
(a)板带涂覆
板带涂覆适于在任何衬底上涂覆传导层，尤其是刚性衬底。
图13A和图13B示出了通过板带涂覆制备透明导体的实施方案。金属纳米线分散体(未示出)可先沉积至衬底14。可以使滚动体100滚过衬底14的顶面105，将金属纳米线分散体层110留在顶面105上(图13A)。使层110干燥，并且金属纳米线网络层114形成在表面105上(图13B)。
衬底可能需要预处理，以能够沉积出为了随后的工艺步骤而粘合至衬底的均匀的纳米线的分散层110。该处理可包括溶剂或化学清洗、加热、沉积选择性构图的中间层以呈现对纳米线分散体的适当的化学或离子状态，以及进一步的表面处理，如等离子处理、UV臭氧处理或电晕放电。
例如，可将中间层沉积在衬底的表面上以固定纳米线。中间层使该表面功能化并对其进行修饰，以便于将纳米线结合至衬底。在某些实施方案中，在沉积纳米线之前可在衬底上涂覆中间层。在其它的实施方案中，中间层可共同沉积有纳米线。
在某些实施方案中，例如多肽的多功能生物分子可以用作中间层。多肽是指通过肽(酰胺)键结合的氨基酸(单体)的聚合序列。多肽中的氨基酸单体可以是相同或不同的。具有侧链功能的氨基酸(例如氨基酸或羧酸团)是优选的。因此，适当的多肽的实例包括聚L赖氨酸、聚L谷氨酸等。在沉积纳米线之前可在衬底上涂覆多肽。可选地，多肽可与纳米线分散体共同沉积在衬底上。许多衬底呈现出对多肽的亲和性，所述衬底包括玻璃、聚酯衬底(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯)。
有利地，中间层可以按预定的图案沉积，这能够根据相同的图案沉积纳米线。
为了执行构图的沉积，其它的预处理方法也可和构图步骤一起进行。例如，可以通过具有期望的图案的多孔掩模来进行等离子体表面处理。因此，衬底的表面包括至少一个预处理的区域以及至少一个未处理的区域。沉积在预处理的区域上的纳米线粘合至衬底优于其粘合至未处理的区域。因此，可通过将未处理区域上的纳米线除去而达到构图的沉积，例如通过清洗。
应该理解，上文描述的预处理也适用于依照下文描述的制备透明导体的其它方法。
形成的纳米线网络层可进一步需要后处理以使其导电。如下文将更详细讨论的那样，该后处理可以是工艺步骤，包括利用热、等离子、电晕放电、UV臭氧或压力。
在某些实施方案中，基质材料可涂覆在纳米线网络层114上以形成基质材料层116(图13C)。如图13D所示，使基质材料层116固化以得到基质，并且能够得到图10A-10E的结构。
可以理解，刷子、压印器、喷雾涂抹器、槽模涂抹器或任何其他适当的涂抹器都可取代滚动体100而使用。此外，如下文进一步讨论的那样，逆向和正向凹版印刷、槽模涂覆、逆向和前向珠子涂覆以及提取表也可用来将纳米线沉积到衬底上。有利地，具有预定图案的滚动体或压印器可用来对构图的金属纳米线分散体层或基质材料层进行涂覆，因此印刷了构图的传导层(例如凹版印刷)。传导层也可通过将纳米线或基质配方经多孔掩模喷涂到衬底上而构图。如果基质材料层在构图的层中沉积或固化，则可通过除去足够数量的纳米线以使纳米线的浓度降到渗透阈值之下，从而将图案转移到金属纳米线层中。可以通过用适当的溶剂将纳米线洗掉或刷掉或者通过将纳米线转移至粘的或粘性滚动体来将其除去。
应进一步理解，可进行附加的沉积或涂覆，同时允许两个连续涂覆步骤之间的干燥或固化。例如，能够以与如上文所述相同的方式涂覆任意数量的性能增强层。
(b)网涂覆
网涂覆已经在适于高速(高产量)涂覆应用的纺织和造纸工业中应用。网涂覆与用于制备透明导体的沉积(涂覆)工艺是兼容的。有利地，网涂覆使用传统的设备并可以完全自动化，这显著地降低了制备透明导体的成本。特别是，网涂覆在柔性衬底上生产均匀且可再生产的传导层。工艺步骤可以在完全综合的生产线上或作为单独的操作连续地运行。
图14A示出了一种实施方案，其中可以沿移动路径对膜或网形式的柔性衬底进行涂覆。更具体地，设置在卷轴118上的衬底14由发动机(未示出)拉动并且沿移动路径120移动。衬底可直接地或经由输送带系统(未示出)供应至卷轴。储槽122定位在衬底14的上方。储槽122含有用于金属纳米线沉积的金属纳米线分散体124。储槽122中的孔128将连续流出的金属纳米线分散体132输送至衬底14上，以在衬底14的顶面105上形成层110。
可以理解，基质材料存储在另一储槽(未示出)中，并且能够以如上所述的方式对基质材料进行涂覆。
可以进一步理解的是，任何的分配装置均可以代替储槽使用，包括喷涂装置(例如，提供加压分散体的喷雾器)、刷洗装置、浇注装置等。与板带涂覆相同，印刷装置也可用来提供构图的涂覆。
图14B示出了网涂覆的可选方法，其中该涂覆在衬底的底面上进行。与图14A中示出的方法相同，衬底14沿移动路径120移动。涂覆滚动体140定位在衬底下方，并部分地浸没在存储在储槽122中的金属纳米线分散体124中。涂覆滚动体140将金属纳米线分散体层110输送在衬底14的底面144上。涂覆滚动体140能够在移动路径120的方向上或在相反的方向上转动。基质材料的涂覆能够以相同的方式进行。
在图14A和14B中描述的工艺中，应注意，在每一沉积步骤之前或之后均可以应用多种表面处理。如将在下文中更详细地讨论的那样，表面处理可增强形成的传导层的透明度和/或传导率。适当的表面处理包括，但不限于，溶剂或化学清洗、等离子处理、电晕放电、UV/臭氧处理、压力处理及其组合。
图15A示出了用于制备透明导体的全面的工艺流程。如图所示，网涂覆系统146包括由发动机(未示出)驱动的收紧卷轴147。卷轴147沿移动路径150从供应卷轴148拉动衬底14(例如柔性的聚合物膜)。然后衬底14沿移动路径150经历连续的处理和涂覆工艺。对于本领域技术人员来说显而易见的是，卷轴速度、沉积速度、基质材料的浓度以及干燥和固化工艺的充分性，都是确定所形成的传导层的均匀性和厚度的因素之一。
此外，在某些实施方案中，进行预处理以制备用于随后的涂覆工艺的衬底。更具体地，可以于预处理站160处可选地对衬底14进行表面处理，以提高随后的纳米线沉积的效率。此外，在沉积之前对衬底进行的表面处理可提高随后沉积的纳米线的均匀性。
表面处理可通过本领域公知的方法进行。例如，等离子体表面处理可用来修改衬底表面的分子结构。利用诸如氩气、氧气或氮气的气体，等离子体表面处理在低温下可产生高活性反应组分。通常，由于只有表面上的几个原子层涉及该过程，所以衬底(例如聚合物膜)的整体性质在化学性质上保持不变。在许多情况下，等离子体表面处理提供用于增强的润湿和粘接的足够表面活性。作为说明性的实例，氧等离子体处理可以在March PX25系统中进行，使用以下操作参数：150W，30秒，O2流：62.5sccm，压力：～400mTorr。
在其它的实施方案中，表面处理可包括在衬底上沉积中间层。如上所述，中间层通常呈现对纳米线和衬底的亲和性。因此，中间层能够固定纳米线并使纳米线粘到衬底上。适于作为中间层的典型材料包括多功能生物分子，其包括多肽(例如聚-L-赖氨酸)。
其它的示例性表面处理包括使用溶剂的表面清洗、电晕放电和UV/臭氧处理，所有上述处理都是本领域技术人员公知的。
此后，衬底14进入金属纳米线的沉积站164，沉积站164提供如本文所定义的金属纳米线分散体166。沉积站可以是如图14A所述的储槽、喷涂装置、刷洗装置等。金属纳米线分散体层168被沉积在衬底105上。可选地，印刷装置可用来将金属纳米线分散体的构图的涂层应用在衬底上。例如，可以使用具有预定图案的凹槽的压印器或滚动体。该压印器或滚动体可以通过本领域公知的方法连续地浸入金属纳米线分散体。
层168可选地于漂洗站172处漂洗。此后，层168于干燥站176处干燥，以形成金属纳米线网络层180。
可选地，可以于后处理站184处对网络层180进行处理。例如，使用氩气或氧等离子对金属纳米线的表面处理可提高网络层180的透明度和传导性。作为说明性的实例，Ar或N2等离子体可在MarchPX250系统中进行，使用以下操作参数：300W，90秒(或45秒)，Ar或N2气流：12sccm，压力：～300mTorr。其它公知的表面处理可以使用，例如电晕放电或UV/臭氧处理。例如，Enercon系统可用于电晕处理。
作为后处理的一部分，可进一步对网络层进行压力处理。更具体地，经过对网络层180的表面185施加压力的滚动体186和187对网络层180进行供给。应该理解的是也可以使用单个滚动体。
有利地，对根据本文描述的方法制备的金属纳米线网络施加压力可增大传导层的传导率。
具体地，可使用一个或多个滚动体(例如圆柱形的棒)对根据本文描述的方法制备的传导片透明导体的一面或两面施加压力，该一面或两面的长度尺寸可以(但不是一定需要)大于传导层的宽度尺寸。如果使用单个滚动体，则网络层可放置在刚性表面上，并使用公知的方法将单个滚动体滚过传导层的暴露面，同时对该滚动体施加压力。如果使用两个滚动体，则可在如图15A所示的两个滚动体之间滚压网络层。
在一个实施方案中，可通过一个或多个滚动体对透明导体施加从50至10,000psi的压力。也可以考虑，施加从100至1000psi、200至800psi或300至500psi。优选地，在应用任何的基质材料之前对透明导体施加压力。
如果两个或多个滚动体被用于对传导片施加压力，则可使用“夹”滚动体或“挤压”滚动体。夹滚动体或挤压滚动体是本领域很好理解的，并在例如3M Technical Bulletin的2004年3月的“LaminationTechniques for Converters of Laminating Adhesives”(用于层压胶粘剂的转换器的层压技术)中讨论，其全部内容通过引用并入本文。
可以确定的是，无论在应用如上所述的等离子体处理之前或之后对金属纳米线的网络层施加压力都提高了其传导率，并且在有或没有等离子体处理之前或随后的情况下，都可以施加压力。如图15A所示，滚动体186和187可以一次或多次地滚过网络层180的表面185。如果滚动体滚过网络层180多次，则该滚动可以在与该片的滚压面平行的轴相同的方向上(例如沿移动路径150)或在不同的方向上(未示出)进行。
图15B是在利用不锈钢滚动体施加从约1000psi至约2000psi的压力之后，金属纳米线传导网络810的SEM图像。传导网络810包括多个纳米线交叉点，如交叉点812a、812b和812c。如图所示，在每个交叉点812a、812b和812c处，至少顶部的金属纳米线814、816和818具有平的横截面，其中相交的线已通过施加压力而压入彼此之中，从而增强了纳米线传导网络的连接性和传导率。
这样，施加热量也可以用作后处理。通常，透明导体处于从80℃至250℃的任何温度达10min，并且更优选地处于从100℃至160℃的任意温度达从约10秒至2分钟的任意时间。取决于衬底的类型，透明导体也可处于高于250℃的温度中并且可以高达400℃。例如，玻璃衬底可以在约350℃至400℃的温度范围内进行热处理。然而，在更高温度(例如高于250℃)的后处理将需要非氧化性环境的存在，如氮气或惰性气体。
加热可以在线或离线地进行。例如，在离线处理中，透明导体可以在给定温度下、在片干燥烤箱装置中放置预定量的时间。以这种方式加热透明导体可以提高如本文所述而制备的透明导体的传导率。例如，使用如本文所述的卷轴至卷轴的工艺所制备的透明导体在200℃的片干燥烤箱装置中放置30秒。在加热后处理之前，该透明导体的表面电阻率约为12kΩ/□，在该后处理之后，表面电阻率降至约58Ω/□。
在另一实例中，类似地制备出的第二透明导体在100℃的片烤箱中加热30秒。该第二透明导体的电阻率从约19kΩ/□降至约400Ω/□。也可以考虑使用不同于片烤箱的方法加热透明导体。例如，红外灯可用作加热透明导体的在线或离线方法。RF电流也可用来加热金属纳米线网络。RF电流可以在金属纳米线网络中由广播微波来感应，或者由通过与纳米线网络的电接触而感应的电流来感应。
此外，也可以使用对透明导体施加热量和压力的后处理。具体地，为了施加压力，透明导体可通过一个或多个如上所述的滚动体放置。为了同时施加热量，可以对滚动体施加热量。由滚动体施加的压力优选地从10至500psi，并且更优选地从40至200psi。优选地，滚动体加热至约70℃和200℃之间，并且更优选地加热至100℃和175℃之间。这种热量结合压力的施加可以提高透明导体的传导率。可用来同时施加适当的压力和热量的机器是Banner American Products ofTemecula，CA.的层合机。热量结合压力的施加可以在对基质或如下文所述的其它层进行沉积和固化之前或之后进行。
可用来增大透明导体的传导率的另一后处理技术是将如本文的内容所公开的制备的透明导体的金属纳米线传导网络暴露于金属还原剂。具体地，银纳米线传导网络可优选地暴露于例如硼氢化钠的银还原剂，优选地从约10秒至约30分钟的任何时间，更优选地从约1分钟至约10分钟。如本领域的普通技术人员将会理解的，可以在线或离线地进行这种暴露。
如上所述，这种处理可增大透明导体的传导率。例如，在PET衬底上的银纳米线的透明导体和根据如本文公开的卷轴至卷轴方法制备的透明导体暴露于2％的NaBH4 1分钟，然后其在水中漂洗并在空气中干燥。在这种后处理之前，透明导体的电阻率约为134Ω/□，在该后处理之后，透明导体的电阻率约为9Ω/□。在另一实例中，在玻璃衬底上的银纳米线的透明导体暴露于2％的NaBH47分钟，然后在水中漂洗并在空气中干燥。在这种后处理之前，透明导体的电阻率约为3.3MΩ/□，在该后处理之后，透明导体的电阻率约为150Ω/□。对于该后处理也可以使用不同于硼氢化钠的银还原剂。其他适当的还原剂包括其他例如硼氢化钠的硼氢化物；例如二甲基氨基硼烷(DMAB)的硼氮化合物；以及例如氢气(H2)的气体还原剂。
此后，衬底14进入提供如本文所定义的基质190的基质沉积站188。基质沉积站188可以是如图14A所述的储槽、喷涂装置、刷洗装置、印刷装置等。基质材料的层192从而沉积在网络层180上。有利地，基质材料可通过印刷装置沉积，以形成构图的层。
然后使层192于固化站200固化。当基质材料为聚合物/溶剂体系时，可通过使溶剂蒸发来将层192固化。固化工艺可通过加热(例如烘)来加速。当基质材料包括辐射固化预聚物时，层192可通过辐射来固化。取决于预聚物的类型，也可使用热固化(热致聚合)。
可选地，构图步骤可在基质材料的层192固化之前执行。构图站198可设置在基质沉积站188之后和固化站200之前。构图步骤将会在下文中更详细地讨论。
固化工艺形成传导层204，传导层204包括基质210中的金属纳米线网络层180。传导层204可以于后处理站214处进行进一步处理。
在一个实施方案中，传导层204可以于后处理站214处进行表面处理，以将一部分金属纳米线暴露在传导层的表面上。例如，可以通过溶剂、等离子体处理、电晕放电或UV/臭氧处理将微量的基质蚀刻掉。暴露的金属纳米线对于触摸屏应用特别有用。
在另一实施方案中，在固化工艺之后，一部分金属纳米线暴露在传导层204的表面上(也参见图10C和图10D)，并且不需要蚀刻步骤。具体地，当适当地控制基质材料层192的厚度和基质配方的表面张力时，基质将不会湿润金属纳米线网络的顶部，并且一部分金属纳米线将暴露在传导层的表面上。
然后，传导层204和衬底14由收紧卷轴147拉起。上述制备的流程也称为“卷轴至卷轴”或“滚动至滚动”过程。可选地，衬底可通过沿传送带移动来稳定。
在“卷轴至卷轴”工艺中，可以沿移动的衬底的移动路径执行多个涂覆步骤。因此，网涂覆系统146可以定制，或者，否则适于根据需要合并任何数量的附加涂覆站。例如，性能增强层的涂覆(防反射、胶粘剂、阻隔、防眩光、保护层或膜)可以完全整合到所述流程中。
有利地，卷轴至卷轴工艺能够高速且低成本地生产均匀的透明导体。特别地，由于涂覆工艺的连续流程，涂覆的层不具有尾边缘。
(c)层压
尽管“卷轴至卷轴”工艺具有多功能性，但其与例如玻璃的刚性衬底不兼容。虽然刚性衬底可以通过板带涂覆进行涂覆并且能够在传送带上承载，但是刚性衬底通常经历边缘缺陷和/或缺乏均匀性。此外，板带涂覆是产量更低的工艺，其将极大地增加生产成本。
因此，本文描述了通过使用柔性供体衬底、用于制备透明导体的层压工艺。该工艺与刚性衬底和柔性衬底都兼容。更具体地，层压工艺包括：在柔性供体衬底上涂覆传导层，该传导层包括可嵌入基质中的多个金属纳米线；使传导层与柔性供体衬底分开；以及将传导层传送至选择的衬底。有利地，因为该供体衬底是柔性的，所以可通过卷轴至卷轴工艺执行在柔性供体衬底上涂覆的步骤。然后可通过标准的层压工艺将在其中形成的传导层传送至选择的衬底，该选择的衬底可以是刚性或柔性的。如果只将纳米线沉积到柔性供体衬底上而未使用基质材料，则层压胶粘剂可用来将传导层附着至选择的衬底。
“柔性供体衬底”是指形式为片、膜、网等的柔性衬底。只要其能够与传导层分开，柔性供体衬底就不被具体地限制。柔性供体衬底可以是本文所述的柔性衬底中的任意一种。此外，柔性供体衬底可以是织造的或非织造的纺织品、纸张等。柔性供体衬底无需是光学透明的。
在某些实施方案中，可以在涂覆传导层之前用释放层预涂覆柔性供体衬底。“释放层”是指粘合至供体衬底的薄层，并且传导层可通过网涂覆形成到该薄层上。释放层必须在不损坏传导层的情况下容易地将供体衬底从传导层除去。通常，释放层由具有低表面能的材料形成，该材料包括但不限于：硅基聚合物、含氟聚合物、淀粉等。
图16A示出了层压结构230的实例，其包括柔性供体衬底240、涂覆在柔性供体衬底240上的释放层244，以及涂覆在释放层244上的传导层250。
层压结构230能够利用柔性供体衬底，以与如结合图15A所示的相同的方式制备。在沉积金属纳米线之前，释放层244被沉积或涂覆在柔性供体衬底上。如本文所述，传导层250可通过沉积金属纳米线形成，金属纳米线沉积之后是基质沉积。
传导层然后被均匀地转移至选择的衬底。具体地，通常不适于卷轴至卷轴涂覆工艺的刚性衬底(例如玻璃)能够用传导层进行层压。如图16B所示，通过将传导层250的表面262接触至衬底260，层压结构230被转移至衬底260(例如玻璃)。在某些实施方案中，聚合物基质(例如，PET、PU、聚丙烯酸酯)提供对衬底260足够的粘合。此后，如图16C所示，可以通过将释放层244从传导层250上分开而除去柔性供体衬底240。
在其它的实施方案中，在层压步骤期间，粘合层可用来提供传导层和衬底之间更好的结合。图17A示出了层压结构270，其除了柔性供体衬底240之外还包括释放层244和传导层250、覆盖层274以及粘合层278。粘合层278具有粘性表面280。
层压结构270能够以与如结合图15A所示的相同的方式制备，并应理解，网涂覆系统146适于提供用于涂覆粘合层和覆盖层的附加的站。粘合层如本文所定义(例如聚丙烯酸酯、聚硅氧烷)并且可以是压敏化、热融化、辐射固化和/或热固化的。覆盖层可以是性能增强层的一种或多种，包括硬质涂层、防反射层、保护膜、阻挡层等。
在图17B中，结构270通过粘性表面280与衬底260结合。此后，如图17C所示，通过将释放层244从覆盖层274上分开而除去柔性供体衬底240。
在某些实施方案中，在层压工艺期间可使用热量或压力来增强粘合层(或者传导层(在没有粘合层的情况下))与衬底之间的结合。
在其它的实施方案中，由于传导层对于柔性供体衬底和选择衬底的亲和性差异，因而释放层不是必要的。例如，传导层对于玻璃的亲和性可以远大于对于织造供体衬底的亲和性。在层压工艺之后，当传导层与玻璃衬底牢固地结合时，可以将织造供体衬底除去。
在某些实施方案中，在层压工艺期间可能进行构图的转移。例如，衬底可通过热梯度来加热，热梯度可根据预定的图案提供加热的区域和未加热的区域。由于增强的亲和性(例如粘合)，因而只有加热的区域才会层压有传导层，从而在衬底上提供构图的传导层。例如可以通过设置在衬底的待加热范围下方的镍铬丝加热器产生衬底上的加热区域。
在其它的实施方案中，构图的转移可以由压力梯度影响，压力梯度是基于由某些基质材料或粘合剂显示出的压敏亲和性的。例如，构图的层压滚动体可用来根据预定图案而施加不同的压力。也可以对构图的层压滚动体加热，以促进受压区域和未受压区域之间的亲和性差异。
在其它的实施方案中，在层压工艺之前，可以根据预定图案预切割(例如模具切割)传导层。在将预切割的传导层转移至衬底之后，预定图案的传导层被保留，同时沿预切割轮廓除去了其余部分。
构图
如上所述，可通过根据图案选择性地使预聚物涂层固化而形成构图的传导层。固化工艺可通过光分解或热量进行。图18示出了对传导层进行光构图的实施方案。更具体地，金属纳米线网络层114根据本文描述的方法(例如图13A-13D)沉积在衬底14上。应该理解，衬底14可以是任意的衬底，包括柔性供体衬底。
此后，预聚物涂层300沉积在金属纳米线网络层114上。辐射源310提供用于固化预聚物涂层的光子能量。掩模314设置在预聚物涂层300与辐射源310之间。经曝光，只有暴露于辐射的区域被固化(即区域320)；在未固化的区域324中的预聚物涂层和纳米线可通过用适当的溶剂清洗或刷洗、或者通过用粘性滚动体将其粘掉而除去。
可光固化的预聚物是本领域公知的。在某些实施方案中，光固化预聚物包括单体，该单体包括一个或多个双键或官能团，例如氢化物或羟基团，适于链延长和交联。在其他的实施方案中，光固化预聚物包括部分聚合物或预聚物，该部分聚合物或预聚物包含适于链延长或交联的一个或多个双键或官能团，例如氢化物或羟基物。
包含双键的单体的实例是烷基或羟基的丙烯酸或甲基丙烯酸酯，如甲基、乙基、丁基、2-乙基和2-羟乙基丙烯酸酯，异冰片基酯丙烯酸酯，甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸乙酯，硅酮丙烯酸酯，丙烯腈，丙烯酰胺，甲基，N-取代(甲基)丙烯酰胺，例如丙烯酸乙烯酯的醋酸酯，例如异丁基乙烯基醚的丙烯酸乙烯酯醚，苯乙烯，烷基和卤代苯乙烯，N-乙烯基吡咯烷酮，氯乙烯和偏二氯乙烯。
包含两个或多个双键的单体的实例是乙二醇、丙二醇、新戊二醇、六亚甲基乙二醇和双酚A的二丙烯酸酯，4，4′-二重(2-丙烯酰氧基乙氧基)二苯基丙烷，三羟甲基丙烷三丙烯酸酯，季戊四醇三丙烯酸酯或四丙烯酸酯，丙烯酸乙烯酯，丙烯酸二乙烯基苯，二乙烯基琥珀酸盐，邻苯二甲酸二烯丙基，三烯丙基磷酸盐，三烯丙基酯或三(2-丙烯酰乙醛)酯。
部分聚合物的实例包括，但不仅限于，丙烯酸化的环氧树脂，丙烯酸化的聚酯，聚酯含有乙烯基醚或环氧群体，聚氨酯和聚醚，不饱和聚酯树脂。在优选的实施方案中，预聚物是丙烯酸酯。术语“丙烯酸酯”是指包括丙烯酰部分(例如，甲基丙烯酸酯)的单体。“丙烯酸酯”还可以是指通过将包括丙烯酰部分的单体聚合而形成的部分聚合体或聚合体。丙烯酸酯的实例为如本文所讨论的那样。
可选地，光引发剂可以用来引起聚合和/或交联反应。光引发剂吸收光子能量并产生自由基，该自由基引起自由基聚合的级联，包括链延长和交联。光引发剂是本领域公知的。适当的光引发剂的实例包括，但不仅限于，肟酯、苯酮、翁盐、膦氧化物，例如参见第6,949,678号、6,929,896号和6,803,392号美国专利；N.Buhler和D.Bellus，的″Photopolymers as a powerful tool in modern technology″(“在现代技术中作为强大的工具的光聚合物”)，Pure & Appl.Chem.，Vol.67，No.1，pp.25-31，1995；J.Crivello in Advances in Polymer Science，Vol.62，pp.1-48(1984)。在优选的实施方案中，光引发剂是Ciba IrgacureTM 754。通常，在使用光引发剂时，预聚物涂层可在5分钟内固化，更优选地在30秒内。
在其它的实施方案中，可以使用绝缘热掩模(例如多孔掩模)进行热构图，该绝缘热掩模只将基质材料层待固化的区域暴露于热源。可选地，在更少掩模的方法中，激光直写技术可用来将加热的图案直接“写”在预聚物涂层上。可热固化的基质材料是本领域技术人员公知的。例如，基质材料可以是环氧树脂、树脂和溶胶-凝胶组合材料。
光构图方法和热构图方法都与上文描述的“卷轴至卷轴”工艺兼容。例如，如图15A所示，光构图站198可以是网涂覆系统146的一部分。光构图站198能够以多种方式配置，从而允许对预聚物涂层连续地曝光和固化。
在一个实施方案中，如图19A所示，旋转柱体330是光构图站198(未示出网涂覆系统146)的一部分。传送带332将涂覆有预聚物涂层300的衬底14向前移动。旋转柱体以与传送带332相同的速度旋转。辐射源310设置在旋转柱体330内。旋转柱体330的外部334被构图、穿孔或以其它方式提供有开口338，从而允许光对预聚物涂层300进行辐射。可选地，用于防止任何杂散光的保护缝或准直器340可紧密地设置在移动的衬底的上方。
在相关的配置中，如图19B所示，可以使用具有构图或穿孔的外部352的构图带350。构图带350由滚动体354驱动，滚动体354中的一个连接至发动机(未示出)。构图带350以与移动的传送带332相同的速度移动，从而允许将预聚物涂层300通过开口360连续地暴露于辐射源310。可选地，可以使用保护缝340。
图20示出了用于在衬底上形成构图的传导层的部分集成的系统400。系统400可完全集成到网涂覆系统146中。具体地，光构图站198与图19A中的光构图站相同。在曝光和固化之后，预聚物涂层300在可选的区域固化，并将于清洗站370处进行进一步处理，以除去任何未固化的预聚物。目前包括固化的区域380和裸金属纳米线区域374的衬底14移动至旋转的粘性滚动体384。粘性滚动体384接触并除去裸金属纳米线区域374。在除去裸金属纳米线之后，衬底在非传导区386之间被涂覆传导区380。
在另一实施方案中，可以通过蚀刻对传导层进行构图。依赖于传导层的成分，多种蚀刻溶液可用于溶解并除去传导层在暴露区域中的部分。
在一个实施方案中，可以应用包括硝酸(HNO3)的酸蚀刻溶液。典型地，硝酸为0.01-40％，更典型地，硝酸为0.01-10％。酸蚀刻溶液可以进一步包括痕量(例如，约1-100ppm)的高锰酸钾(KMnO4)。在一个实施方案中，酸蚀刻溶液包括约1％的HNO3、1％的NaNO3以及痕量(百万分之几)的高锰酸钾(KMnO4)。蚀刻溶液将金属纳米线转化为可溶的金属盐，该金属盐可以通过清洗而除去。例如，银纳米线可以转化为银盐(Ag+)，银盐可以由例如水的溶剂漂洗掉。
在某些实施方案中，蚀刻溶液不影响或溶解由完全或部分固化的聚合物所组成的基质。可以通过根据所需的图案将聚合基质材料沉积并固化在纳米线层上来进行构图。一旦将基质固化(完全或者部分地)以达到可接受的硬度和物理形状，基质便保护嵌在其中的纳米线在随后的蚀刻步骤中不被蚀刻掉。未保护区域(其中，基质材料未聚合或者不存在基质)中的纳米线可以被蚀刻并除去。因此，一个实施方案描述了构图的方法，该方法包括：在衬底上形成传导层，该传导层包括多根纳米线；根据图案在传导层上形成基质，该图案包括由基质保护的纳米线以及未保护的纳米线；以及对传导层进行蚀刻，以溶解未保护的纳米线。未保护的纳米线可以被除去或留在适当的位置。
已经发现，本文描述的酸蚀刻溶液中的KMnO4的量可影响蚀刻能力。例如，酸蚀刻溶液中的KMnO4的量可影响蚀刻速率。典型地，KMnO4的浓度越高，蚀刻就越快。因此，对酸蚀刻溶液中的KMnO4的浓度的调节可调整蚀刻效率，而无需改变蚀刻溶液的酸度。
已经发现，酸蚀刻溶液中的KMnO4的浓度越高会使得蚀刻溶液越有效地扩散到基质中，这导致纳米线在原处更快或更完全地溶解。例如，如实施例9、10和11所示，当蚀刻溶液中的KMnO4小于20ppm时，基质(标准厚度约为150nm)可保护嵌在其中的纳米线免受蚀刻。当KMnO4的量增加至约20ppm，而HNO3和NaNO3的浓度保持不变时，蚀刻溶液扩散到基质(厚度约为150nm)中并将嵌在其中的纳米线溶解。
正如将结合实施例11更详细地讨论的那样，较厚的覆盖层(约1μm)可有效地阻止酸蚀刻溶液的扩散并保护纳米线免受蚀刻，而未由该较厚的覆盖层保护的纳米线/基质则被酸蚀刻溶液(例如，20ppm的KMnO4、1％的HNO3以及1％的NaNO3)溶解。
因此，在一个实施方案中，可选择能够扩散到基质中并将纳米线溶解的蚀刻溶液。在这些实施方案中，可以使用保护掩模(例如，光刻胶)对基质中包括纳米线的传导层进行蚀刻。因而，可以根据标准的光刻方法来进行构图，通过该光刻方法对暴露区域中的纳米线进行蚀刻。
在另一实施方案中，对暴露区域进行蚀刻包括：利用第一蚀刻剂对暴露区域中的基质进行蚀刻；以及利用第二蚀刻剂对暴露区域中的纳米线进行蚀刻。例如，第一蚀刻剂(例如，过氧化氢)可用于除去基质，从而暴露出或不保护暴露区域中的纳米线。此后，第二蚀刻剂(诸如本文中所讨论的酸蚀刻溶液)可以用于溶解或除去不再由基质保护的纳米线。
因此，其他实施方案描述了利用掩模对透明导体进行构图的方法。掩模作为较厚的覆盖层，保护下面的纳米线/基质层。该方法包括：在衬底上形成传导层，该传导层包括基质以及嵌在该基质中的多根导电纳米线；在传导层上放置掩模，以限定掩模区域和暴露区域；以及利用酸蚀刻溶液对暴露区域进行蚀刻，以形成构图的传导区域。该方法可进一步包括除去所蚀刻的区域，以形成图案。
能够对蚀刻效率产生贡献的其他因素包括(但不限于)基质的固化程度。例如，给定了相同的蚀刻溶液和相同的单体，由部分固化的聚合物所形成的基质趋于比由完全固化的聚合物所形成的基质更易于溶解。在构图之后，部分固化的聚合物可经历额外的固化步骤，以将基质完全固化。
还可以通过在蚀刻之前使透明导体的蚀刻表面活化而实现更有效的蚀刻。这种预处理尤其有益于湿法刻蚀工艺，在该工艺中，液体蚀刻剂与透明导体的蚀刻表面相接触。典型地，透明导体的蚀刻表面可以是纳米线/基质层的顶部表面，或者在某些情况下，可以是覆盖层的顶部表面。基质层和覆盖层保护下面的纳米线免受腐蚀成分的影响以及磨损。然而，基质层和覆盖层的存在会导致液体蚀刻剂不良地湿化。透明导体的蚀刻表面的预处理可以使表面活化并提高其湿化性能。因此，液体蚀刻剂能够通向由基质和/或覆盖层保护的金属纳米线。
因此，上述的构图方法可以进一步包括：对传导层的蚀刻表面进行预处理，以提高其湿化性能。
湿化性能的改变可以通过水接触角测量来评定。水接触角是指液体/蒸汽界面与固体表面(即，蚀刻表面)相交的角度。典型地，水接触角越大，固体表面的湿化越差。如表1所示，依赖于处理的类型，在表面处理后，水接触角基本上减少约50％至80％。
表1
Figure BSA00000555162600421
正如在实施例13中详细描述的那样，利用强度相同的蚀刻剂，与对未经处理的透明导体进行蚀刻的速率相比，对经过表面处理的透明导体进行蚀刻的速率明显提高。
因此，可以通过对待蚀刻区域进行预处理而有效地对透明导体膜进行构图。
此外，通过调节蚀刻剂的强度，能够产生光学性质基本一致的经构图的透明导体膜。在这些情况下，可以相信，即使已经使纳米线网络的传导性更低，但也不会将纳米线完全蚀刻掉。
因此，在另一实施方案中，可以通过产生非传导性区域或者具有改变的电阻率(不必是非传导性的)的区域对传导层进行构图，而无需蚀刻或除去纳米线。这样，具有改变的电阻率的区域的光学特性(即，透明度和霾)的任何改变都可以相对最小。在选定的区域中根据预定的图案改变传导介质(即，互连的纳米线网络)的电阻率，而不是蚀刻或除去纳米线。更具体地，该实施方案提供的方法包括：在衬底上形成传导层，该传导层包括基质和嵌在其中的导电纳米线的网络；以及处理该传导层的区域，以改变该区域内的导电纳米线网络的电阻率，从而形成经构图的传导层，该传导层包括具有第一电阻率的已处理的区域和具有第二电阻率的未处理的区域。已处理的区域可以(但不必)是非传导性的。如本文中所使用的那样，“非传导性的”是指表面电阻率至少为106Ω/。
此外，公开了包括衬底和经构图的传导层的透明导体，该传导层具有嵌在基质中的导电纳米线的网络。经构图的传导层限定出透明导体的第一区域以及透明导体的第二区域，在第一区域中，该网络具有第一电阻率，在第二区域中，该网络具有第二电阻率。两个区域之间的光学特性(即，透射率和霾)的改变相对较小。例如(但不限于)，第一区域和第二区域的透射率和霾的差别分别小于0.7％和0.62％，而这两个区域之间的电阻的变化大于约1500Ω/。
在某些实施方案中，可以根据本文描述的构图方法处理光学透明的传导层，而不会影响所处理区域的光学性质。如在实施例14中进一步示出的那样，光学性质的改变，包括透射率(T)和霾(H)，在构图步骤之前和之后都相对较小。在这种“不可见构图”方法中，传导层在外表上保持光学一致性；但根据预定的图案只在未经处理的区域中为传导的，已处理的区域为非传导的或具有不同的传导率。
在本实施方案中，改变纳米线网络的电阻率可以通过以下方法来完成(但不限于)：破坏或降低纳米线之间的连接的导电率，或者使纳米线本身成为非传导性的。在一个实施例中，对导电纳米线网络的处理包括将导电纳米线在化学上转化为非传导性的纳米线或具有更高电阻率的线。这样的化学转化可包括例如氧化、硫化或者任何其他的将纳米线的下层传导材料转化为电绝缘材料的工艺。例如，由元素金属或金属合金(例如银)形成的传导性纳米线可以在该金属转化为电绝缘且不可溶的金属盐(例如，氯化银)时成为非传导性的。在该实施例中，元素银可以被初始地氧化并转化为银粒子(Ag+)。在存在阴离子(例如，Cl-)的情况下，可以为了完成而进一步驱动氧化，带正电的银离子可以与阴离子形成不可溶的盐(AgCl)。易于将金属离子沉淀为不可溶的金属盐的阴离子的其他实例包括，例如溴、碘和硫酸根。
适当的氧化剂的实例包括(但不限于)：过氧化物(例如过氧化氢)、过硫酸盐(例如过硫酸铵)、过氧化合物(例如过氧二硫酸钠或过氧二硫酸钾)、卤素或基于卤素的氧化盐(例如氯盐或次氯酸盐)、氧化金属盐(例如钯盐、锰盐、钴盐、铜盐或银盐)、诸如7，7′，8，8′-四氰基对苯二醌二甲烷(TCNQ)的有机氧化剂以及诸如空气、氧气、臭氧等气体氧化剂。
在多种实施方案中，并且如下文的实施例14和15所示，氧化剂的浓度、氧化剂类型以及对氧化剂的暴露时间可以决定传导层的化学转换的程度。可能的是，较强的和/或更浓的氧化剂可使得纳米线和基质层溶解(例如参见实施例14)。
在某些实施方案中，除了(或代替)将纳米线的下层材料从传导性的材料转化为低传导性或非传导性的材料，还可能的是，纳米线会在物理上受影响。例如，纳米线会断裂或变短，由此降低了其互连性的水平。因此，相比于未经处理的区域，经处理区域的整体电阻率增加，部分原因是由于形成了电绝缘材料，还有一部分原因是由于破坏了纳米线之间的互连性。应注意的是，纳米线的物理结构的这种改变可仅在微观级别上出现，因此不会影响传导层的宏观外貌。因此，可对本文描述的传导层进行处理，以形成光学上一致的传导图案。
可选地，在形成不可见图案之前，可通过提高蚀刻表面的湿化性能并改变表面能来进行预处理步骤。如所讨论的那样，适当的预处理的实例为氧等离子体和UV臭氧。
基于纳米线的透明导体的应用
如本文所述的透明导体可以在多种装置中用作电极，包括任何当前使用例如金属氧化物薄膜的透明导体的装置。适当的装置的实例包括：诸如LCD的平板显示器、等离子体显示板(PDP)、用于彩色平板显示器的滤色器、触摸屏、电磁屏蔽、功能玻璃(例如，用于电致变色窗的功能玻璃)、包括EL灯和光电池的光电子器件等。此外，本文中的透明导体可用在柔性设备中，如柔性显示屏和触摸屏。
(a)液晶显示器
LCD为通过由外电场控制透光率来显示图像的平板显示器。典型地，LCD包括液晶单元(或“像素”)的基质以及用于驱动像素的驱动电路。每个液晶单元都设置有像素电极，用于相对于公用电极将电场施加至液晶单元。如果每个像素电极都与薄膜晶体管(TFT)连接至一起，那么这些像素电极作为开关装置，即，像素电极根据通过TFT施加的数据信号来驱动液晶单元。
TFT LCD板包括两个衬底，在该两个衬底之间设置有液晶单元。像素电极设置在用于每个液晶单元的下部衬底上，而公用电极一体形成在上部的相对衬底的整个表面上。因此，下部衬底(也称为TFT阵列衬底或者TFT底板)包括连接至相应的像素电极的薄膜晶体管阵列。上部的相对衬底包括可以涂覆在滤色器上的公用电极，其结合可被称为滤色器衬底。
传统地，像素电极由高透射率的ITO膜制成，从而允许足够的光透射过。如上所述，ITO膜制造成本较高，并且如果用在柔性衬底上则容易破裂。本文描述的基于纳米线的透明导体膜提供了在TFT像素电极生产中的可选方法。
一般说来，本文描述的薄膜晶体管可以根据本领域的任何公知方法来制造。可以通过用纳米线透明导体膜涂覆TFT底板并随后进行构图步骤来形成基于纳米线的像素电极。可选地，可以在涂覆之前预形成已构图的透明导体层。基于纳米线的透明导体膜的构图还可以根据本文描述的高产量的方法来实现。
除了可以构图，基于纳米线的透明导体膜还具有对于TFT LCD生产和应用(即，作为基于TFT的开关装置的一部分)所需的一致性和耐高温性。
图21A为示出了衬底上的、基于纳米线的透明导体膜的保形性的SEM图像，该衬底在其表面中具有外形特征或起伏特征。如图所示，透明导体膜387至少部分地与衬底上的槽388相符。该衬底为滤色器，槽388的宽度约为2μm至3μm。宽度更大或更小的槽也可以用透明导体膜保形地覆盖。例如，宽度低至0.1μm至2μm和宽度高达3μm或更大的槽可以被保形地涂覆。此外，具有外形或起伏特征、而不具有槽的衬底可以至少部分地用基于纳米线的透明导体膜保形地涂覆。例如但不限于，外形或起伏特征可包括台阶、斜坡、肩部和/或凹的或凸的边缘。图21B示出了图21A的放大的图像。如图所示，纳米线网络保持完整且与槽388相符。图21A-21B示出了基于纳米线的透明导体膜与例如TFT的表面形貌充分地保形。纳米线网络至少部分地与衬底的外形或起伏特征相符，则有利地允许传导性穿过该外形或起伏特征，并且可以比简单地桥接外形或起伏特征而不与之相符的传导层更为牢固。在LCD的制造和操作过程中，基于纳米线的透明导体膜可抵挡温度条件。更具体地，基于纳米线的透明导体膜的光学和电学性质呈现出相对小的波动。图22为示出了基于纳米线的透明导体膜的耐热性的曲线。在X轴上以时间(t)测量光学和电学性质(例如，霾、透射率和薄层电阻)。保持率[Y(t)/Y(0)](对于霾、透射率和薄层电阻分别示为389、390和391)相对时间(t)绘图。所有三条线都几乎为线性且具有接近于1的斜率，这表示光学和电学性质的保持率在高温下、所测试的时间范围内基本保持为常数。
由于能够以外形或起伏特征保形地涂覆表面，因而基于纳米线的传导膜还是用于形成LCD-TFT板中的通孔触点的适当材料。对于典型的LCD-TFT板，在钝化层SiNx中蚀刻出通孔，从而连接漏极。当前，溅射的ITO膜用来建立通孔触点。然而，溅射的ITO膜可以用本文描述的基于纳米线的传导膜替代。
典型的工艺包括将金属纳米线分散体(例如，银纳米线、HPMC和Zonyl
Figure BSA00000555162600461
)旋涂到通孔中，之后在例如180℃进行90秒的后烘焙步骤。典型地，需要进一步的后处理，以建立通孔触点。示例性的后处理包括以下方法中的一个或多个：使更高的电流流过所涂覆的通孔，利用去离子(DI)水冲洗来漂洗所涂覆的通孔，利用氩(Ar)等离子体或UV臭氧进行处理，利用另外的传导材料进行涂覆以及调节线浓度或尺寸。
特别地，用DI水漂洗的或者用Ar等离子体处理的涂覆纳米线的通孔被示出了已经在5μm小的通孔中建立了触点。可以相信，漂洗或等离子体处理清洁了位于通孔底部的电极的表面以及纳米线，从而在电极和纳米线之间提供了更清洁的触点并且降低了接触电阻。
基于纳米线的透明导体膜与当前用于LCD技术中的所有TFT配置兼容。通常，薄膜晶体管分为两大类：底栅型和顶栅型。在底栅TFT中，栅电极放置在活性层之下，而在顶栅TFT中，栅电极放置在活性层之上。与顶栅薄膜晶体管相比，底栅薄膜晶体管典型地具有优良的可靠性。上述结构配置在例如以下文献中更为详细地描述，“Modern Liquid CrystalProcess Technologies′99(现代液晶工艺技术99’)(Press Journal，1998，pp.53 to 59)”和“Flat Panel Display 1999(平板显示器1999)(Nikkei BP，1998，pp.132 to 139)”。此外，依赖于形成活性区域的材料的类型，薄膜晶体管还可以基于非晶硅、多晶硅和有机半导体。
图23为根据一个实施方案的TFT底板的开关装置的剖视图。如图所示，开关装置394包括底栅薄膜晶体管396和基于纳米线的像素电极398。薄膜晶体管包括形成在衬底402上的栅电极400。该栅电极可以是由光刻限定的金属层(例如，Mo-Al-Cd)。栅绝缘层406位于栅电极400之上。薄膜晶体管396还包括绝缘层410、第一半导体层414(例如，非晶硅)以及第二半导体层418(例如，n+掺杂的非晶硅)，所有三个部分都被限定，以形成岛形的结构。源极422和漏极426限定出通道430，暴露出第一半导体层414(即，活性层)的一部分。另一保护层434覆盖岛形结构、源极和漏极，并同时暴露出接触孔438。保护层434例如为氮化硅层。在薄膜晶体管396上涂覆基于纳米线的透明导体膜442。基于纳米线的透明导体膜442可以如本文所述地沉积和构图，以形成像素电极398。在TFT底板的其他部分中，也可以对同一个基于纳米线的透明导体膜442进行构图，以限定信号线区域446。
在另一实施方案中，上述开关装置可以并入液晶显示器(LCD)装置中。
图24示意性地示出了LCD装置500，其包括TFT底板501和滤色器衬底502。背光体504通过起偏器508和玻璃衬底512发射光。多个第一透明导体条520设置在底部玻璃衬底512和第一调整层522(例如聚酰亚胺层)之间。每个透明导体条520均与数据线524交替。在第一调整层522和第二调整层532之间提供间隔器530，该两个调整层将液晶356夹在中间。在第二调整层532上设置有多个第二透明导体条540，第二透明导体条540的方向与第一透明导体条520呈直角。第二透明导体条540被进一步涂覆有钝化层544、有色基质的滤色器548、顶部玻璃衬底550以及起偏器554。有利地，透明导体条520和540可以在层压工艺中分别构图并分别转移到底部玻璃衬底以及调整层上。与传统应用的金属氧化物条(ITO)不同，不需要昂贵的沉积和蚀刻工艺。
图25示出了根据另一实施方案的基于顶栅TFT的LCD的剖视图。如图所示，LCD542具有TFT衬底544以及滤色器衬底546，在TFT衬底544和滤色器衬底546之间设置有液晶层548。如上所述，在TFT衬底544中，在底部透明衬底554上，薄膜晶体管550和像素电极552在基质配置中设置。公用电极556和滤色器558设置在顶部透明衬底556上，其中可向公用电极556提供公用电压。施加在像素电极552和公用电极556之间的电压驱动液晶单元(像素)，其中像素电极552和公用电极556彼此相对且二者之间具有液晶548。
用于底部透明衬底554上的每个像素的薄膜晶体管550为顶栅型TFT，其栅电极562位于活性层564之上。在底部衬底554上根据本领域公知的方法对TFT的活性层564进行构图。栅绝缘层566位于活性层564之上并将其覆盖。活性层564面对栅电极562的部分为通道区域564c。漏区564d和掺有杂质的源区564s位于通道区域564c的各自侧面。活性层564的漏区564d通过接触孔连接至还作为漏极566的数据线，接触孔形成在覆盖栅电极562的夹层绝缘层568中。此外，设置绝缘层570，以覆盖该数据线和漏极566。形成像素电极552的、基于纳米线的透明导体膜位于绝缘层570上。像素电极552通过接触孔连接至活性层564的源区564s。第一对准层572可位于像素电极上。
图25还示出了可用于每个像素的存储电容元件574。当未选定TFT时，该存储电容元件保持与显示内容相对应的电荷，电荷应施加至液晶电容。因此，可以保持像素电极552的电压变化，从而能够在一个序列期间使显示内容保持不变。
如图所示，活性层564的源区564s还作为存储电容元件574的第一电极576。存储电容元件574的第二电极578可与栅电极562同时形成并且与栅电极562形成在相同的层中。栅绝缘层566还作为第一电极576和第二电极578之间的电介质。栅电极566(即，栅线)和第二电极578(即，存储电容线)平行排列。它们与像素电极552成直角地定位，以限定像素的基质。
应该理解，对于底栅TFT配置和顶栅TFT配置，活性层可以是任何可接受的半导体材料。典型地，由于沉积步骤和构图步骤的简便和经济，非晶硅被广泛地应用。还可以应用多晶硅。由于多晶硅比非晶硅具有更好的电流驱动能力，因而当用于开关装置中时，多晶硅提供更好的性能。多晶硅的低温沉积是可能的，并且已经被报道为制造基于多晶硅的TFT的可选方法，例如参见第7,052,940号美国专利。此外，还可以使用有机半导体材料。在某些实施方案中，有机的π共轭的化合物可用作形成有机TFT的活性层的有机半导体材料。π共轭的化合物是本领域公知的，其包括但不限于：聚吡咯、聚噻吩(可选地，可以掺有C60)、聚芘、聚乙炔和聚苯并噻吩等。适用于有机TFT的有机半导体材料的更多实例在例如第7,018,872号美国专利中描述。
如本文中所讨论的那样，TFT底板放置在与滤色器衬底相对的LCD中(例如，参见图24和图25)。滤色器衬底典型地包括透明衬底、黑基质(或光屏蔽层)以及有色像素的阵列。典型地，有色像素按照图案排列在透明衬底上。黑基质在每个有色像素的周围形成栅格。在某些实施方案中，每个有色像素都与一种颜色相关联。在其他实施方案中，每个有色像素都可以进一步分为更小的着色区域(称为子像素)，每个子像素都与一种颜色相关联。典型地，使用诸如红(R)、绿(G)和蓝(B)的原色。例如，RGB三元组的重复阵列能够产生多种颜色的彩色图像。有色像素或子像素并不限于原色，还可以使用诸如白色、黄色或青色的其他颜色。
此外，滤色器衬底包括公用电极，其为TFT底板中的像素电极的参考电极。在某些实施方案中，公用电极可以由本文描述的基于纳米线的透明导体形成。
依赖于LCD的模式，公用电极和单位滤色器在TN(扭曲向列)模式中的相对位置可以与在IPS(共面切换)模式中的不同。
图26A示出了根据一个实施方案的TN模式LCD中的滤色器衬底的剖视图。滤色器衬底580包括具有显示表面584的透明衬底582。由于透明衬底582在最终的LCD配置(例如，图25中的560)中与TFT底板的空间关系，透明衬底582还可以称为顶部或上部透明衬底。滤色器衬底580还包括被设置为格形的黑基质(或光屏蔽层)586，并且滤色器衬底580形成在与显示表面584相对的透明衬底582上。外部光由黑基质反射并从显示表面584射出。黑基质586可以由金属氧化物和/或金属膜(例如，铬/氧化铬)制成。可选地，黑基质可以由有机树脂制成。
滤色器衬底580可包括多个有色像素，诸如分别用于传输红(R)光、绿(G)光和蓝(B)光的第一、第二和第三有色像素588a、588b和588c。在透明衬底582没有黑基质586的至少一部分上形成第一、第二和第三有色像素。第一、第二和第三有色像素588a、588b和588c由例如用色素分散的聚酰亚胺基树脂或丙烯酸树脂制成，并且与黑基质586分开地形成以防止混色。除了原色(例如，RGB)之外，滤色器衬底还可以包含其他颜色，例如RGBW或RG1G2B。
由基于纳米线的透明导体膜形成的公用电极590设置在有色像素588a、588b和588c上。除了作为相对像素电极(未示出)的参考电极之外，公用电极还保护滤色器不接触液晶层(未示出)。可选地，另一保护层591可以位于公用电极590上。该保护层可以是诸如聚酰亚胺的透明绝缘体。这种保护层还可以作为对准层(例如，参见图24中的532)，其通过例如在约250℃摩擦来引导液晶的极化方向。
图26B示出了根据另一个实施方案的IPS模式LCD中的滤色器衬底的剖视图。滤色器衬底592包括具有显示表面595的透明衬底594。在与显示表面595相对的透明衬底594上设置黑基质596。在透明衬底594没有黑基质596的至少一部分上形成分别用于传输R光、G光和B光的第一、第二和第三有色像素598a、598b和598c。保护层600在第一至第三有色像素598a、598b和598c上形成，并保护它们不接触液晶(未示出)。保护层600典型为透明绝缘体，诸如聚酰亚胺。在透明衬底594的显示表面595上形成基于传导纳米线的公用电极602。在IPS显示的情况下，公用电极602作为静电释放层，以避免滤色器板充电。
滤色器衬底可以根据本领域公知的方法制造。基于纳米线的透明导体膜的光透明性和导电性使其适于作为LCD的滤色器衬底中的可选电极材料，而不管模式如何。基于纳米线的透明导体膜可以根据本文描述的方法从层状结构直接涂覆或转移到商用滤色器上。本文描述的透明传导层也可以用在阵列上颜色(color-on-array)的显示结构或其他使用透明电极的LCD结构中。
(b)等离子体显示板
等离子体显示板通过利用由等离子体放电产生的紫外光激发荧光材料(例如，磷)而发出可见光。等离子体显示板采用两个绝缘衬底(例如，玻璃板)，每个绝缘衬底都具有电极以及在其上形成的阻挡肋，以限定单独的单元(像素)。这些单元填充有一种或多种惰性气体(例如，Xe，Ne或Kr)，这些惰性气体可在电场下被电离，以产生等离子体。更具体地，在单元后、沿着后玻璃板形成寻址电极。透明的显示电极和汇流电极一起，安装在单元前面、前玻璃板上。寻址电极和透明的显示电极相互正交并在单元处穿过路径。在操作时，控制电路对电极充电，从而在前板和后板之间产生电压差并使惰性气体电离且形成等离子体。
传统地，金属氧化物透明导体(例如，ITO)用作上部玻璃板上透明的显示电极，以允许等离子体产生的可见光通过。当前的处理步骤(尤其是，汇流电极的烧结以及前绝缘层的烘焙)可需要较高的处理温度(高达400至550℃)。例如，为了得到足够的透明度，前绝缘层(其覆盖并保护显示电极和汇流电极)在约570-580℃进行烘焙。在上述温度，ITO的电阻率增加约三倍。
基于纳米线的透明导体是用于PDP中显示电极的适当电极材料。它们在高温(例如，约300℃)时显示出电学和光学的稳定性。它们可在PDP所需的特征尺寸(例如，100-300μm)进行构图；具体地，它们可通过本文描述的高产量的方法进行构图。
图27示出了根据一个实施方案的PDP的剖视图。PDP606包括：下部透明衬底608；形成在下部透明衬底608上的下部绝缘层610；形成在下部绝缘层608上的寻址电极612；形成在寻址电极612和下部绝缘层610上的下部介电层614；限定放电单元618的隔离壁616；位于隔离壁616上的黑基质层620；形成在黑基质层620和隔离壁616的侧面上以及下部绝缘层608上的荧光层622；上部透明衬底624；形成在上部透明衬底624上的显示电极626，其相对于寻址电极612成直角地定位；形成在一部分显示电极626的一部分上的汇流电极628；形成在汇流电极628、显示电极626以及上部透明衬底624上的上部介电层630；以及形成在上部介电层630上的保护层(例如，MgO)632。显示电极由传导纳米线膜形成并根据本文描述的方法进行构图。
应该理解的是，基于纳米线的透明导体膜适用于PDP的任何其他配置，在这些配置中，透明电极放置在显示板上，以使光能够以可接受的效率透过，从而在显示板上产生图像。
(c)触摸屏
在另一实施方案中，本文描述的透明导体形成触摸屏的一部分。触摸屏是集成到电子显示器的交互式输入设备，其允许使用者通过触摸屏幕输入指令。触摸屏装置典型地包括由间隔层分开的两个相对的导电层。传导层是光学透明的，以允许光和图像透过。当前可用的触摸屏典型地应用金属氧化物传导层(例如，ITO膜)。如上所述，ITO膜制造成本较高，并且如果用在柔性衬底上时容易破裂。尤其是，ITO膜典型地在高温且在真空中沉积在玻璃衬底上。相反，本文描述的透明导体可以由高产量的方法并在低温下制造。其还允许使用除了玻璃之外的不同衬底。例如，诸如塑料膜的柔性且耐用的衬底可以涂覆上纳米线，并变为表面传导性的。
因此，图28示意性地示出了根据一个实施方案的电阻式触摸屏装置640。装置640包括底板642，底板642包括涂覆或层压有第一传导层646的第一衬底644，第一传导层646具有顶部传导表面648。上板650与底板642相对地布置，并且在装置640的各端与底板642由粘性罩652和652′分隔开。上板650包括涂覆或层压在第二衬底656上的第二传导层654。第二传导层654具有面向顶部传导表面648的内部传导表面658，并且悬在间隔器660之上。
当使用者触摸上板650时，内部传导表面658和底板642的顶部传导表面648形成电接触。产生了接触电阻，接触电阻引起静电场中的变化。控制器(未示出)感测所述改变并解析实际的触摸坐标，然后该信息被传送至操作系统。
根据这个实施方案，第一和第二传导层中之一或二者都基于如本文所描述的传导纳米线层。内部传导表面658和顶部传导表面648中的每个的表面电阻率的范围约为10-1000Ω/□，更优选地约为10-500Ω/□。可选地，上板和底板具有高透射率(例如＞85％)，以允许图像透过。
在某些实施方案中，透明传导层可以进一步涂覆有保护层(例如，介电覆盖层)，其提高透明传导层的耐用性。然而，由于插入的介电覆盖层，因而不能可靠地产生接触电阻，因此，与下面的金属纳米线形成电接触会存在问题。此外，即使覆盖层厚度的微小变化，也会在膜上导致未接触的点。因此，在这些实施方案中，覆盖层并入有传导粒子，以产生可靠的电接触并改善接触电阻。
图28A示意性地示出了两个具有各自覆盖层的、相对的传导层。更具体地，第一传导层646涂覆有第一覆盖层647，第二传导层654涂覆有第二覆盖层655。第一和第二覆盖层嵌有传导粒子657。在介电覆盖层中，传导粒子的存在增加了介电覆盖层的表面传导率，并在下面的、填充纳米线的传导层之间提供了电连接。
与各自的下面的填充纳米线的透明传导层相比，覆盖层可以容许更高的电阻率。与下面的传导层646或654中的纳米线不同，覆盖层中的传导粒子不需要达到电渗透阈值，而传导层646或654中的纳米线必须在电渗透阈值之上形成传导网络，以确保共面传导率(例如，电阻率在10-1000Ω/□之间)。例如，覆盖层的薄层电阻可以高达108Ω/□。即使在这个水平，对于触摸屏应用来说，通过覆盖层的电阻率也足够低。
覆盖层可以由任何本文描述的光学透明的聚合基质材料形成。覆盖层的厚度典型地小于2μm或小于1μm。典型地，更厚的覆盖层易于产生更高的接触电阻。
任何类型的纳米尺寸的传导粒子都可以使用。适当的传导粒子的实例包括但不限于：如本文描述的ITO、ZnO、掺杂的ZnO、金属纳米线、金属纳米管或碳纳米管(CNT)。传导粒子的尺寸典型地小于200nm，以保持可接受水平的霾。更典型地，传导粒子的尺寸小于100nm。因为传导粒子的填充量如此低，因此，典型地，使得传导粒子的存在并不会影响透光率。另一方面，传导粒子的存在可提供一定程度的表面粗糙度，用于减少眩光。
在某些实施方案中，传导粒子可以是高传导性粒子(例如，金属纳米线)和低传导率粒子(例如，ITO或ZnO粉末)的混合物。虽然金属纳米线无需在基质内形成传导网络(即，在电渗透阈值之上)，但其在相对大的距离上提供高传导率的路径。电流将主要在这些纳米线中传输，而低传导率的粒子将在纳米线之间提供电连接。有利地，覆盖层的薄层电阻可以通过调节纳米线相对于低传导性粒子的比例而在更宽的范围内控制。由于纳米线无需形成渗透网络，因而可以期待，相比单独利用低传导率的粉末，最终覆盖层膜的电阻率将与纳米线浓度呈更为线性的关系，并且最终覆盖层膜的电阻率将在更高的薄层电阻处是稳定的。金属纳米线和传导粉末的混合物可以在一步法工艺中和基质材料共同沉积。可选地，在两步法工艺中，可以在沉积嵌入有低传导性粒子的覆盖层之前，沉积纳米线层(无需形成渗透网络)。
如本文所述，第一和第二衬底可以是多种材料。举例来说，。第一衬底可以是刚性的(例如玻璃或刚性塑料，如聚碳酸酯或聚丙烯酸酯)，同时第二衬底可以是柔性的。可选地，对于柔性触摸屏的应用，两个衬底都可以是柔性膜(例如塑料)。
如本领域所公知的那样，触摸屏装置还可以制造为仅包括具有透明导体的单个衬底，而这种类型的触摸屏装置和两个导体类型的触摸屏装置(如上所述)都可以包括作为静电释放层的第三透明导体。本文所描述的透明导体可以用在任何上述类型的触摸屏装置中。此外，用在这些装置中的基于纳米线的透明导体可以如本文所述地或以本领域任何其他公知的方法进行构图。
(d)光电池
太阳辐射在约为0.4eV至4eV的光子范围内提供可用的能量。诸如光电(PV)电池的光电子装置可获得在上述范围内的、一定的光子能量并将其转化为电力。本质上，光电池是光照下的半导体结。光由半导体结(或二极管)吸收，并在该结的两侧(即，在n型发射极和p型基极中)产生电子空穴对。这些载荷子(来自基极的电子和来自发射极的空穴)随后扩散至该结并由电场除去，从而产生穿过装置的电流。
可以通过掺入单一材料(例如，晶体硅)以形成p型和n型侧，在单质结单元中形成半导体结。PN结构或者P-i-N结构都可以使用。
可以通过将两种不同的半导体相接触而形成异质结。典型地，这两种半导体具有不同的带隙。根据透明度选择具有较大带隙的半导体并将其设置为顶层或窗口层。具有较小带隙的半导体形成底层，其作为光吸收材料。窗口层几乎允许所有的入射光到达易于吸收光的底层。
已经研发了多结单元以捕获太阳光谱的更大部分。在这种配置中，单个的异质结单元以这样的方式堆叠，即，使得阳光首先落在具有最大带隙的材料上。未在第一单元中吸收的光子被透射至第二单元，第二单元然后吸收剩余的太阳辐射中的、能量更高的部分，而对能力更低的光子保持透明。这些选择性的吸收过程持续到具有最小带隙的最后单元。
在激子PV单元中，替代p型掺杂和n型掺杂区域，利用带隙不同的材料进行分裂，并且通过电荷的激子从一个半导体转移到另一个半导体。在电荷分离后，电荷由于内在的电势而被除去，该电势是由于用于电荷收集的接触电极之间的逸出功的差异而产生的。有机光电池，例如，以这种方式工作，其中一个半导体可以是聚噻吩而另一个是C60。聚噻吩吸收光线，并且生成了激子。电子从聚噻吩跃迁到C60(对于电子的较低能态)。空穴沿着聚噻吩主链移动，直到将其收集为在巴基球之间跳迁的电子。
向太阳能电池的n型和p型侧都提供金属-半导体欧姆触点。在多结单元中，还在两个相邻的单元之间插入金属-半导体欧姆触点。在n型侧产生的、或者已经由结“收集”并清除至n型侧上的电子，可穿过线，激励负载，并继续通过线，直到电子到达p型半导体-金属触点。
因为透明导体(例如，ITO)允许光通过窗口层到达下面的活性光吸收材料，并且透明导体作为欧姆触点，以将光生的载荷子从该光吸收材料中传输出来，所以它们需要作为用于太阳能电池的接触材料。
本文描述的基于纳米线的透明导体膜可用作太阳能电池中的一个或多个触点。与传统的金属氧化物透明导体不同，基于纳米线的透明导体可通过高产量的方法在柔性衬底上形成。它们也不需要使金属氧化物层在太阳能电池应用中的应用昂贵的特殊沉积(在真空中)。
因此，一个实施方案描述了单质结太阳能电池，其包括：顶部触点、半导体二极管以及底部触点，其中顶部触点和底部触点中的一个或者二者都可以由基于纳米线的透明导体膜制成。图29A示出了单质结太阳能电池664。太阳能电池664包括顶部触点668、底部触点670以及插在它们之间的半导体二极管672。
半导体二极管可以是，例如，在顶部上为p型掺杂硅而底部上为N型掺杂硅的PN结构。硅典型为晶体硅。作为更经济的可选方法，可根据本领域公知的方法使用多晶硅。半导体二极管还可以由非晶硅制成，在这种情况下，P-i-N结构是优选的。
顶部触点和底部触点可以由本文描述的方法制备。顶部触点典型为光学透明的并包括光入射表面，即，光最初进入太阳能电池的表面。
可选地，在底部触点670之下可以存在衬底674。同样可选地，可在顶部触点之上形成汇流条676。汇流条676也可以由已构图的、基于纳米线的透明导体膜而形成。
图29B示出了根据另一实施方案的异质结太阳能电池。如图所示，异质结太阳能电池680包括顶部触点682、底部触点684以及插在它们之间的半导体异质结层686。顶部触点682和底部触点684中的一个或二者都可由基于纳米线的透明导体膜制成。
在某些实施方案中，半导体异质结层686包括三层结构(例如，N-i-P)。因此，其可以包括掺杂的顶部半导体层686a、未掺杂的中间半导体层686b以及掺杂的底部半导体层686c。在某些实施方案中，第一半导体层686a的带隙比第三半导体层686c的更大。
第一、第二和第三半导体层可沉积为薄膜层。适当的半导体材料包括但不限于：有机半导体材料(如本文所述)、碲化镉(CdTe)、铜铟镓硒(CIGS)、铜铟硒(CIS)等。例如，在典型的CdTe单元中，顶层为p型硫化镉(CdS)，中间层为本征CdTe，底层为n型的碲化锌(ZnTe)。
半导体异质结层686还可以在NP结构中只包括顶部半导体层686a和底部半导体层686c。
与基于硅的太阳能电池相比，基于薄膜半导体层的异质结单元节省材料成本。然而，由于薄膜半导体层较差的性能，这种装置在能量转化方面不如基于多晶硅的单元高效。因此，在一个实施方案中，结合图29C描述了多结单元。如图所示，多结单元690从上到下依次包括：顶部触点692、第一单元694、隧道层696、第二单元698和底部触点700，其中顶部触点692和底部触点700由基于纳米线的透明导体膜制成。为了简便，示出的多结单元690仅包括两个单元。然而，应该理解，可以以类似的方式制造额外的单元。
第一单元692和第二单元698均具有与在图29B中示出的单结太阳能电池680类似的3层结构。第一单元距离入射光更近，因而应被选为具有比第二单元更大的带隙。照这样，第一单元对可由第二单元698吸收的能量较低的光子是透明的。
第一和第二单元由隧道层696隔开，以允许电子在单元之间流动。隧道层696可以是包括相对掺杂的半导体层的PN二极管。
顶部触点692和底部触点700为基于纳米线的透明导体膜。其可通过本文描述的方法制备。
本领域技术人员可以理解，太阳能电池690可包括额外的层，例如，衬底、汇流条、防眩光膜等。此外，应该理解，基于纳米线的透明导体膜适于作为任何太阳能电池配置中的一个或多个触点。
(e)电致发光器件
电致发光(EL)是材料(通常为半导体)中的电子和空穴的辐射复合的结果。被激发的电子在返回到其基态时将其能量释放为光子。在复合之前，电子和空穴分开，这是由于对材料进行掺杂以形成pn结(在诸如LED的半导体电致发光器件中)，或者是由于通过由强电场加速的高能电子的影响产生的激发(如同电致发光显示器中的磷)。
EL器件用作例如用于显示器的逆光。其典型地包括将EL材料夹在中间的两个电极，该电极中的至少一个是透明的。通过利用较薄的传导膜，EL器件的薄膜设计是可能的。有利地，通过将已构图的透明导体用作为电极之一，可以得到经构图的照明。传统地，诸如聚二氧噻吩(PDOT)的聚合传导膜用作为并构图为透明导体。
本文描述的基于纳米线的透明导体膜适于作为EL器件中的透明电极。因此，图30示出了根据一个实施方案的薄膜EL装置。EL装置710从上到下依次包括：顶部电极712、介电层714、EL材料层716、透明电极718、可选的阻挡层720以及可选的覆盖层722。
透明电极718由本文描述的纳米线层形成。纳米线层的透光度和表面传导率使其适合作为透明电极。此外，如在实施例8中更加详细讨论的那样，纳米线可以配制成可丝网印刷的墨水合成物。墨水合成物可以被印刷，以提供经构图的电极，并且可与用于对PDOT层进行构图的当前制造工艺兼容。也可以使用其他的构图方法，包括冲压、冲模等。
EL材料层716可以是任何可接受的EL材料，例如，磷。可选的阻挡层720可以是含氟聚合物(例如，Kyner)，以排除不利的环境因素，例如，潮湿。
(f)静电耗散材料-抗静电涂层
静电放电(ESD)是单一事件，是两个物体间的静电电荷的快速转移，通常是在处于不同位势两个物体直接相互接触时产生的。静电电荷的产生是由于材料表面上电子的不稳定而造成的。ESD是半导体工业中器件故障的主要原因之一。
通过将有害的静电电荷引导开，导电材料(例如，传导膜或涂层)作为静电耗散材料是有效的。典型地，具有不超过108Ω/的表面电阻率的传导层有效地减少或消除静电电荷的产生。更典型地，抗静电涂层的表面电阻率在106Ω/和107Ω/之间。
因此，本文描述的基于纳米线的传导层适合作为抗静电涂层。在例如图10B-10F中描述的任何结构都可以用作为需要抗静电的衬底上的抗静电涂层。因此，一个实施方案提供了用于提供电磁屏蔽的方法，包括：提供包括多根金属纳米线和基质材料的复合物；将该复合物施加于需要电磁屏蔽的衬底上；以及形成包括该分散在基质材料中的多根金属纳米线的传导层，该传导层具有不超过108Ω/的表面电阻率。
在某一实施方案中，抗静电涂层为光学透明的，以使得下面衬底可见。在另一实施方案中，涂覆有基于纳米线的传导层的光学透明的衬底(例如，塑料)可以用作为电子学的包装材料。光学透明性使得可以直接观察到包装中的内容。
通过以下非限定性实施例更详细地说明透明导体的结构、其电学和光学性质以及制备方法。
实施例：
实施例1
银纳米线的合成
银纳米线通过在聚(乙烯基四氯化吡咯)(PVP)的存在下，将溶解在乙二醇中的硝酸银还原而合成，其按照例如在Y.Sun，B.Gates，B.Mayers，和Y.Xia的″Crystalline silver nanowires by soft solutionprocessing″(“通过软溶液处理的晶体银纳米线”)Nanoletters，(2002)，2(2)165-168中描述的“多元醇”方法。在申请人为CambriosTechnologies Corporation的第11/766,552号美国申请在描述的改进方法中，比传统的“多元醇”方法在较高的产量生产更均匀的银纳米线。该申请通过引用而全部并入本文。
实施例2
透明导体的制备
厚度为5μm的Autoflex EBG5聚乙烯对苯二甲酸酯(PET)被用作衬底。PET衬底是光学透明的绝缘体。PET衬底的光透射率和霾在表2中示出。除另有说明外，光透射率使用ASTM D 1003中的方法测量。
首先制备银纳米线的水分散体。银纳米线的宽度约为70nm至80nm并且其长度约为8μm。银纳米线(AgNW)的浓度约为该分散体的0.5％w/v，导致光密度约为0.5(在Molecular Devices Spectra Ma×M2板式阅读器上测量)。然后通过使纳米线沉淀到衬底上而将分散体涂覆在PET衬底上。如本领域技术人员所理解的，可以使用其它的涂覆技术，例如，由窄通道计量的流动、模具流动、在斜面上的流动等。应进一步理解的是，流体的粘性和切断行为以及纳米线之间的相互作用能够影响所涂覆的纳米线的分布和互连性。
此后，通过水分蒸发而使涂覆的银纳米线层干燥。裸银纳米线膜，也称为“网络层”，形成在PET衬底上。(AgNW/PET)光透射率和霾使用BYK Gardner Haze-gard Plus测量。表面电阻率使用Fluke 175 TrueRMS万用表测量。结果如表2所示。纳米线的互连性以及衬底的面积覆盖也可以在光学或扫描电子显微镜下观察。
通过在甲基乙基酮(MEK)中混合聚氨酯(PU)(Minwax快干聚氨酯)以形成1∶4(v/v)的粘性溶液来制备基质材料。通过旋转涂覆，将基质材料涂覆在裸露银纳米膜上。本领域中其它的公知方法也可以使用，例如刮片、Meyer杆、拉下或幕涂覆。基质材料在室温下固化约3小时，在此期间溶剂MEK蒸发且该基质材料硬化。可选地，固化可以在烤炉中进行，例如在50℃下约2小时。
从而形成了在PET衬底上具有传导层的透明导体(AgNW/PU/PET)。基质中银纳米线的传导层的厚度约为100nm。其光学和电学性质被测量且结果在表2中示出。
透明导体进一步受到带测试。更具体地，在基质的表面上牢固地涂有3M Scotch
Figure BSA00000555162600601
600胶带且然后除去，例如，通过剥离。任何松的银纳米线连同胶带一起被除去。在带测试之后，透明导体的光学和电学性质被测量且结果在表2中示出。
为了比较，在如上所述的相同条件下，在PET衬底上(PU/PET)形成只有基质的膜。PU/PET的光学性质(光透射率和霾)和电学性质也在表2中提供。
如表2所示，在(PU/PET)上只有基质的膜的光透射率以及霾值略高于PET衬底。它们同样都不是传导性的。通过比较，PET上的裸银纳米线膜是高度传导的，表面电阻率为60Ω/□。在PET上沉积裸银纳米线膜降低了光透射率而增大了霾。然而，PET上的裸银纳米线膜仍然被认为是光学透明的，其光透射率大于80％。PET上的裸银纳米线膜的光学和电学性质相当于或优于在PET衬底上形成的金属氧化物膜(如，ITO)，ITO的范围通常是从60至400Ω/□。
如表2进一步所示，基于聚氨酯基质中银纳米线的透明导体的光透射率几乎与PET上的裸银纳米线膜相同，且霾略高。透明导体的电阻率保持与裸银纳米线膜相同，标志着涂覆基质材料并没有扰动银纳米线膜。因此，形成的透明导体是光学透明的，并且表面电阻率相当于或优于在PET衬底上形成的金属氧化物膜(如，ITO)。
此外，带测试不改变透明导体的电阻率或光透射率，只略微增加霾。
表2
Figure BSA00000555162600611
实施例3
加速的H2S腐蚀测试
例如硫化氢(H2S)的硫化物是公知的腐蚀剂。金属纳米线(例如银)的电学性质将在大气中硫化物的存在下潜在地受到影响。有利地，透明导体的基质作为气体渗透阻挡。这在一定程度上防止大气中的H2S接触嵌在基质中的金属纳米线。如本文所述，金属纳米线的长期稳定性可以通过在基质中加入一种或多种防腐剂来进一步得到。
在美国，空气中H2S的含量约为十亿分之(ppb)0.11至0.13。在这个水平上，预计将在长期的时间上发生腐蚀。因此，设计了加速的H2S腐蚀测试，以提供H2S腐蚀的极端情况。
将刚煮熟的鸡蛋黄粉碎并密封在塑料袋中。H2S计(IndustrialScientific，GasBadge Plus-Hydrogen Sulfide Single Gas Monitor)插入袋中以监控从鸡蛋黄释放的H2S。图31示出了在24小时以上的H2S气体的典型释放曲线。在袋中H2S的最初升高之后，气体水平下降，标志着气体已经扩散出该可渗透的袋子外。然而，袋中H2S气体的水平(峰值为7.6ppm)极大地超过了大气中H2S气体的水平。
PET上的裸银纳米线膜根据实施例2制备。该膜放置在具有刚煮熟的鸡蛋黄的塑料袋中。膜在两个小时内开始变黑，标志着银已经被锈蚀并形成黑色的Ag2S。相反，直到2至3天之后还没有观察到聚氨酯基质中银纳米线膜中颜色的改变，标志着作为阻挡的聚氨酯基质减缓了H2S气体的渗入。
实施例4
防腐剂的并入
制备了以下的透明导体样品。PET衬底被用于每个样品。在某些样品中，在传导膜的制备期间并入防腐剂，防腐剂包括苯并三唑、二硫代噻重氮和丙烯醛。
样品1-2根据本文描述的方法制备。不存在防腐剂。
样品1是裸银纳米线传导膜。
样品2是在聚氨酯基质中的银纳米线传导膜。
样品3-6是通过先在PET衬底上形成裸银纳米线膜(例如样品1)制备的。此后，在基质材料的涂覆工艺期间并入多种防腐剂。
样品3的制备是通过在裸银纳米线膜上涂覆0.1w/v％的苯并三唑(BTA)的甲基乙基酮(MEK)溶液，在涂覆后使溶剂干燥，然后涂覆基质材料，其为聚氨酯(PU)的MEK溶液(1∶4)。
样品4的制备是通过先在基质材料PU/MEK(1∶4)中并入1.5v/v％的二硫代噻重氮，随后在裸银纳米线膜上涂覆基质材料。
样品5的制备是通过先将裸银纳米线膜浸入1.5v/v％的二硫代噻重氮的MEK溶液中，在浸入后使溶剂干燥，然后涂覆含有1.5v/v％的二硫代噻重氮的基质材料PU/MEK(1∶4)。
样品6的制备是通过先在基质材料PU/MEK(1∶4)中并入1.5v/v％的丙烯醛，然后在裸银纳米线膜上涂覆基质材料。
样品1-6的光学和电学性质在加速的H2S处理之前和之后进行测量，如实施例3所述。该结果在图32A、32B和32C中示出。
图32A示出了在H2S处理之前以及在H2S处理24小时之后、样品1-6的光透射率的测量。为了比较，每个样品的光透射率的减少也被示出。在H2S处理之前，所有样品都表现为光学透明的(光透射率高于80％)。在H2S处理24小时之后，由于银锈蚀的不同程度，所有样品的光透射率都已下降。
正如所料，样品1的光透射率减少得最多。样品3和6没有比只有基质的样品(样品2)表现得更好。然而，与只有基质的样品相比，样品4和5的光透射率减少得更少，标志着防腐剂二硫代噻重氮有效地保护银纳米线不被腐蚀。
图32B示出了在H2S处理之前以及在H2S处理24小时之后、样品1-6的电阻的测量。为了比较，每个样品的电阻的减少也被示出。如图所示，尽管对于某些样品来说，其电学性质退化的开始点明显地延迟，但是除了样品4之外，所有的样品的电阻都显著地增大并且有效地变为非传导性的。样品4的电阻只略微增加。应注意到，尽管样品4和样品5具有相同的防腐剂(二硫代噻重氮)，但是H2S对样品4和样品5的影响却相当不同。这意味着涂覆工艺可能影响给定防腐剂的效果。
图32C示出了在H2S处理之前以及在H2S处理24小时之后、样品1-6的霾的测量。为了比较，每个样品的霾的减少也被示出。所有的样品都示出了其霾的增加。除了样品1和6以外，样品2-5的霾都在可接受的范围内(低于10％)。
所示出的样品4在抵挡腐蚀性的H2S气体上具有最好的整体表现。通过将防腐剂(二硫代噻重氮)并入基质中，透明导体示出了相对于实施例2的明确优点，而在实施例2中不存在防腐剂。
应注意到，在上述加速测试中的H2S水平远大于大气中的H2S。因此，应预料到，当存在大气中的H2S时，类似于如样品4所制备的透明导体甚至会表现得更好。
实施例5
金属纳米线网络层的压力处理
表3示出了对衬底上的银纳米线网络层(或“网络层”)的表面施加压力的两个试验的结果。
具体地，宽度约为70nm至80nm、长度约为8μm的银纳米线沉积在Autoflex EBG5 PET衬底上。在沉积纳米线之前，用氩等离子体处理衬底。网络层根据实施例2中描述的方法形成。在压力处理之前没有基质材料涂覆到网络上。在表2中列出的试验在刚性凳顶表面上使用单个不锈钢滚动体来进行。处理的网络层范围的宽度为3至4英尺，长度为3至4英尺。
表3
Figure BSA00000555162600641
在施加任何的压力之前，网络层的电阻在“原始”行中示出(网络层未用等离子体进行预处理)。表3中的每行均示出了随后在约340psi下穿过网络层的单个滚动。
在每个试验中，网络层均被滚动5次。此后，对网络层施加等离子体处理。在每个滚动后的电阻在第二列(第一试验)和第三列(第二试验)中列出。第二试验的透射率和霾的变化分别在第四和第五列中列出。如表3所示，可以确定每个试验的网络层的传导率均通过对网络层表面施加压力而增加。
如表3所示，通过滚动体对网络层施加压力可以减小网络层的光透射率并增大霾。如下面的表4所示，在压力处理后的清洗工艺能够进一步提高透射率并减小网络层的霾。
表4
Figure BSA00000555162600642
如表4所示，通过在刚性表面上以约340psi的单个不锈钢杆滚动两次来对网络层施加压力，减小了光透射率并增大了网络层的霾。然而，在滚动之后用肥皂和水清洗网络层，增大了透射率并减小了霾。氩等离子体处理进一步提高了透射率和霾。
在未滚动的情况下。用肥皂和水清洗网络层对于将传导率提高到一定程度也是有效的。
在压力或清洗处理之后，可以如之前实施例2中所述地涂覆基质材料。
实施例6
传导层的光构图
图33示出了一个直接对基于纳米线的透明传导膜进行构图的方法。在该实施例中，根据实施例2中描述的方法，银纳米线网络层(“网络层”)726先形成在玻璃衬底728上。两个支架730放置在玻璃衬底726上，以限定用于形成基质的范围732。在范围732之内的网络层726上涂覆包括预聚物混合物的光固化基质材料734。在支架730上放置掩模736。掩模736是具有宽度约为500μm的暗线738阵列的载玻片。然后，在Dymax 5000灯下辐射基质材料90秒。基质材料在暴露于光的区域中固化，而在由暗线掩盖的区域中保持为液体。
图34A-34F示出了经光构图的传导层在光学显微镜下的图像。图34A示出了在光固化之后即刻的传导膜740(5×)。较亮区域748是暴露于UV辐射并固化的。较暗区域744被掩盖而未受曝光，其中的基质材料未固化。传导膜740进一步经历胶带或粘性滚动体处理，以除去未固化的区域744中的未固化的基质材料和纳米线。图34B示出了在胶带处理之后的传导膜740(5×)，其中固化的区域748比未固化的区域744亮得多。在更高的放大率上(图34C和34D，20×)，可观察到，未固化的区域744的纳米线浓度低于固化的区域748。这种对比在图34E和图34F(100×)中更为明显。还可观察到，在胶带处理之后，纳米线的浓度降至未固化的区域744中的渗透阈值之下。使用细探针尖的电测量显示出未固化的区域744是非传导性的。
作为使用胶带或粘性滚动体来除去位于未固化的区域中的基质材料和纳米线的替代，溶剂可用来清洗未固化的区域。如图35A-D所示，传导膜750被如上所述地制备，并通过黄铜多孔掩模暴露于UV辐射。图35A示出了在用乙醇清洗并擦净之后的固化的区域(传导区域)752和未固化的区域754。图35B-D于增大的放大率上示出了在未固化的区域754中的纳米线浓度相比于在固化的区域752中的纳米线浓度的对比。在未固化的区域754中，多数的未固化基质材料和银纳米线都已经由乙醇清洗而除去。因此，光构图根据预定图案产生了传导区域和非传导区域。
实施例7
可光固化的配方
实施例6中的基质材料可通过将丙烯酸酯单体(或如本文所定义的预聚物)、多功能丙烯酸酯单体(或预聚物)和至少一个光引发剂结合来配制。任何丙烯酸酯单体或预聚物可以使用，如环氧丙烯酸酯，更具体地，2-乙基己酯、2-苯氧乙基丙烯酸酯、月桂丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯等。任何多功能丙烯酸酯单体(或预聚物)可以用来促进交联聚合物网络的形成。实例包括三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)、三丙二醇二丙烯酸酯、双酚A型二丙烯酸酯、丙氧基(3)三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、双季戊四醇五丙烯酸酯。任何光引发剂都可以使用，如酮基引发剂。具体的实例包括：Ciba lrgacure 754、例如Ciba Irgacure184的苯酮、α-羟基酮、乙醛酸、二苯甲酮、α-氨基酮等。更具体地，快速固化配方可通过将60％-70％的2-乙基己酯、15％-30％三羟甲基丙烷三丙烯酸酯和约5％Ciba Irgacure 754结合来制备。
可以添加其它的添加剂以增强稳定性和/或促进基质和纳米线的粘合。例如，可以使用促进有机物和无机物之间的耦合的粘合增进剂(例如硅烷)。硅烷型粘合增进剂的实例包括GE Silquest A174、GESilquest A1100等。可以使用诸如Ciba Irgonox 1010ff、Ciba Irgonox245、Irgonox 1035的抗氧化剂。此外，可以使用额外的或共同引发剂以提高光引发剂的效率。共同引发剂的实例可以包括任何类型的叔胺丙烯酸酯，如Sartomer CN373、CN 371、CN384、CN386等。可以进一步添加诸如Ciba Irgacure OXE01的额外的光引发剂。
以下是四种适合作为本实施例中使用的基质材料的示例性可光固化的配方：
配方1
75％2-乙基己酯；
20％的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)；
1％的粘合增进剂(GE Silquest A1100)；
0.1％的抗氧化剂Ciba Irgonox 1010ff)；以及
4％的光引发剂(Ciba Irgacure 754)
配方2
73.9％的2-乙基己酯；
20％的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)；
1％的粘合增进剂(GE Silquest A1100)；
0.05％的抗氧化剂Ciba Irgonox 101 Off)；以及
5％的光引发剂(Ciba Irgacure 754)
配方3
73.1％的三聚丙烯乙二醇二丙烯酸酯(TPGDA)
22.0％的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)
4.9％的光引发剂(Ciba Irgacure 754)
0.03％的抗氧化剂(4-甲氧苯酚)
配方4
68％的2-乙基己酯；
20％的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)；
1％的粘合增进剂(GE Silquest A1100)；
0.1％的抗氧化剂Ciba Irgonox 101 Off)；以及
5％的光引发剂Ⅰ(Ciba Irgacure 754)；
5％的共同引发剂(Sartomer CN373)；
1％的光引发剂Ⅱ(Ciba Irgacure OXE01)
实施例8
纳米线分散体
纳米线分散体或墨水通过将约0.08％wt.HPMC、约0.36％wt.银纳米线、约0.005％wt.Zonyl
Figure BSA00000555162600681
FSO-100和约99.555％wt.水结合而配制。第一步，制备HPMC储液。等于纳米线分散体约3/8的总期望体积的水放置在大口杯中并在电炉上加热至80℃和85℃之间。在水中添加足够制作0.5％wt.HPMC溶液的HPMC，并关闭电炉。搅拌HPMC和水的混合物以分散HPMC。总量水的残余在冰上冷却，然后添加至加热的HPMC溶液并与高RPM搅拌约20min。HPMC溶液通过40μm/70μm(绝对/额定)Cuno Betapure过滤器过滤，以除去未溶解的凝胶和微粒。然后，制备Zonyl
Figure BSA00000555162600682
FSO 100储液。更具体地，将10g Zonyl
Figure BSA00000555162600683
FSO 100添加至92.61mL的水并加热，直到Zonyl
Figure BSA00000555162600684
FSO 100完全溶解。在最终的墨水合成物中制作约0.08％wt.的HPMC溶液而必需数量的HPMC储液放置在容器中。然后，添加在最终的墨水合成物中制作约99.555％wt.水溶液的必要数量的D1水。搅拌溶液约15min，并添加在最终的墨水合成物中制作约0.36％的Ag纳米线溶液的必要数量的银纳米线。最后，添加制作约0.005％wt.Zonyl
Figure BSA00000555162600685
FSO-100溶液的必要数量的Zonyl
Figure BSA00000555162600686
FSO-100储液。
实施例9
酸蚀刻(1)
图36A-36C示出了蚀刻进程以及在透明导体板758上形成的最终图案。更具体地，传导性银纳米线层首先形成在PET衬底上。根据图案将可UV固化的丙烯酸酯沉积在纳米线层上。允许使基质干燥并使基质部分固化。典型地，基质约50nm-300nm厚。在由基质保护的区域以及未由基质保护的区域中检测表面传导率。
然后将透明导体板暴露至酸蚀刻溶液，其包括1％的HNO3、1％的NaNO3以及5ppm的KMnO4。
图36A示出了在1分钟之内，银纳米线的蚀刻已经从与由基质保护的区域760相邻的区域开始。在未由基质保护的区域762中，纳米线层的溶解和破裂较明显。
图36B示出了进行蚀刻2分钟的透明导体板。更多未保护的银纳米线溶解并出现限定良好的图案。图36C示出了在4分钟后，所有未保护的银纳米线都已被蚀刻，并通过用水冲洗透明导体板而除去。保护的区域760保持为传导性的。可选地，在基质保护的区域760中的部分固化的基质可进一步固化。
实施例10
酸蚀刻(2)
图37A和37B示出了在酸蚀刻溶液中利用浓度更高的KMnO4对蚀刻速率的影响。除了使用10ppm的KMnO4之外，透明导体板764如实施例9中所描述的那样进行制备和构图。图37A示出了未保护的纳米线在蚀刻30秒内被蚀刻掉。图37B以更高的放大率示出了在蚀刻约1分钟后的限定良好的图案。图37B还示出了存在基质的区域766未被蚀刻溶液所蚀刻或干扰。与实施例9类似，保护的区域在蚀刻之后保持为表面传导性的。此外，图37B示出了在经构图的表面的传导区域和非传导区域之间的界面处，纳米线实际上被断开，并且在蚀刻之前，这些被断开的纳米线中延伸至非传导区域中的部分被蚀刻掉。这样，被断开的线的剩余部分的长度比线在蚀刻之前的原始长度短。
实施例11
酸蚀刻(3)
根据在实施例7中描述的方法(例如，配方1)来制备透明导体板。纳米线网络层在约140nm厚的基质层中形成。板为表面传导性的，表面电阻率约为500Ω/。
然后，板的传导表面范围的区域由约1μm厚的覆盖层保护。纳米线完全被覆盖层覆盖，并且在该区域检测不到表面传导率。不具有覆盖层的区域保持为表面传导性的。
然后，将整个板浸入酸蚀刻溶液(20ppm的KMnO4、1％的HNO3、1％的NaNO3)1分钟。取出板，用水冲洗并在N2流下干燥。整个板变成非传导性的。
如图38B所示，在未涂覆的区域，尽管存在基质，但银纳米线还是溶解为可溶解的银盐。该结果显示浓度更高的KMnO4(20ppm相比于实施例9中的5ppm以及实施例10中的10ppm)可导致基质内的纳米线溶解。由于纳米线网络层的破坏，未涂覆的区域不再是传导性的。
在覆盖层保护区域中的银纳米线未被蚀刻所影响。虽然由于覆盖层的厚度可能不具有表面传导率，但是纳米线网络层保持位于覆盖层之下(图38A)。
图38A和38B示出了本文描述的透明导体可根据利用掩模的标准的光刻方法进行构图，其中掩模作为本文示出的厚覆盖层。
实施例12
滤色器涂层
商用的滤色器直接用传导纳米线膜涂覆。
样品1为具有滤色器的铬黑基质。如图39A所示，R、G和B滤色器相互平行地布置，并且两个相邻滤色器相互之间由槽780隔开，槽780防止相邻像素间的光透过。样品1在槽的方向上为表面传导性的(由于黑基质的金属成分)并且显示出约40Ω/的薄层电阻。该样品在横跨槽的方向上不是表面传导性的。
将纳米线直接涂覆在样品1的整个顶部表面上。所涂覆的样品在沿着槽的方向上保持为表面传导性的，且显示出约为33Ω/的表面电阻。此外，由于对纳米线进行保形地涂覆(参见图39A)，因此经涂覆的样品在横跨槽780的方向上也是表面传导性的，且显示出约为100Ω/的表面电阻。
纳米线涂覆对样品1的光学性质影响很小。经涂覆的样品的透光率为18.2％，作为比较，未涂覆的样品的透光率为19.2％。经涂覆的样品比普通的样品略微模糊。经涂覆的样品的霾由普通的样品的约2.7％增加至约3.5-5.3％。
样品2为具有滤色器的有机树脂黑基质，该滤色器的设置与样品1的类似。样品2(参见图39B)完全是非表面传导性的。
图39B还示出了涂覆有纳米线层的样品2。经涂覆的样品2在沿着槽782的方向上变为表面传导性的，且显示出约为56-76Ω/的表面电阻。此外，由于纳米线与槽782一致，因而经涂覆的样品在横跨槽的方向上也是表面传导性的，且显示出约为61Ω/的表面电阻。测量的总的体表面电阻约为120-130Ω/。
在光学上，纳米线涂覆对样品2的影响很小。经涂覆的样品的透光率为27.5％，而未涂覆的样品的透光率为26.9％。经涂覆的样品比未涂覆的样品略微模糊，霾由约1.4％增加至约4.8％。
实施例13
表面预处理
透明导体样品通过湿法刻蚀工艺进行构图。在蚀刻之前，已经根据图案(物理掩模或光刻掩模)掩盖透明导体并在未掩模的区域中对透明导体进行表面处理。相比于未处理样品，经表面处理的透明导体以高得多的速率进行蚀刻。
利用物理掩模：
通过以下方式制备透明导体样品，首先在衬底上(包括：聚碳酸酯、玻璃或PET)、以所需的透明度和传导率、通过旋转涂覆(或者其他的沉积方法)形成银纳米线膜。随后，用Addison Clear Wave AC YC-5619硬涂层(通过旋转涂覆)涂覆银纳米线膜。对硬涂层材料进行烘焙并将其完全地UV固化。
将具有所需图案的掩模(例如，塑料膜)放置在透明导体样品的硬涂层上并与其接触。掩模限定出待蚀刻的区域(未掩模的)。未掩模的区域受到10分钟的O2等离子体处理或10分钟UV臭氧处理。
将掩模除去，并且在其除去之前将样品浸入100％的Transene AgEtchant Type TFS(Transene的银蚀刻剂型TFS)10秒钟，并在D1中冲洗并风干。
利用光刻掩模：
可以用光刻材料取代物理掩模而旋转涂覆在银纳米线膜上(具有硬涂层)。当根据所需的图案曝光于UV光时，光刻材料固化为掩模。在上述工艺之后，可以对透明导体样品进行表面处理并蚀刻。
结果：
如所示出的那样，分别利用氧气等离子体和UV臭氧进行预处理的样品1和样品2在蚀刻进行10秒钟内变为非传导性的(电阻率无穷大)。作为比较，未经处理的样品3在蚀刻进行6分钟后保持为传导性的。
样品4示出了利用稀释的蚀刻剂的不可见构图的工艺。在氧气等离子体处理之后，利用5％的Transene Ag Etchant Type TFS(Transene的银蚀刻剂型TFS)进行的构图产生了光学性质基本均匀的经构图的透明导体。据信稀释的蚀刻剂已使得透明导体膜变成非传导性的，而并未完全除去纳米线。
样品1-用氧气等离子体进行预处理
Figure BSA00000555162600721
样品2-用UV臭氧进行预处理
Figure BSA00000555162600731
样品3-未处理
样品4-稀释蚀刻剂
Figure BSA00000555162600733
实施例14
不可见的构图
制备HPMC、银纳米线和水的悬浮液。将该悬浮液旋转涂覆到玻璃衬底上，以形成HPMC基质中的银纳米线的传导薄膜。该传导层为光学透明的，透光度(％T)约为88.1％，霾(％H)约为2.85％。该传导层还是高度表面传导性的，表面电阻率约为25Ω/□。
此后，利用氧化剂(例如，具有0.5％的次氯酸盐的漂白溶液)对传导膜区域进行2分钟的处理。然后用水冲洗经处理的膜，并在氮气环境中进行干燥。与未经处理的区域的光学性质相比，膜中经处理的区域显示出基本相同的透光度(89.1％T)和霾(5.85％H)。图40A示出了经处理的区域820和未经处理的区域822在视觉上是一致的。
然而，经处理的区域的表面电阻率增加了几个数量级并且实际上变成了绝缘的。图40A的进一步放大(100x，暗区)示出了银纳米线被破坏或者可能已经转化为不可溶且绝缘的银盐，诸如氯化银(例如，参见图40B)。
作为比较，图41示出了基于银纳米线的传导膜，利用更强且更浓的氧化剂(30％的过氧化氢)对其进行处理。如图所示，在经处理的区域824中，几乎所有的纳米线和有机HPMC基质都被溶解。在经处理的区域824和未经处理的区域826中的光学性质明显不同。
实施例15
制备HPMC、银纳米线和水的悬浮液。将该悬浮液旋转涂覆到玻璃衬底上，以形成HPMC基质中的银纳米线的传导薄膜。传导层为光学透明的，透光度(％T)约为89.1％，霾(％H)约为3.02％，表面电阻率约为45Ω/□。
将透明导体的区域浸入具有乙腈(ACN)(0.5mg/ml)的TCNQ溶液不同的时间量，冲洗并在氮气环境中干燥。下面的表5示出了暴露于TCNQ溶液的透明导体区域的透明度、霾和电阻率如何随暴露的时间量而改变。
表5
  在浸入之前   10秒.   20秒.   60秒.
  ％T   89.1   89.3   90.0   91.3
  ％H   3.02   2.36   1.74   0.53
  Ohm/Sq.   45   112   1700   开放电路
如表5所示，经处理区域(光学特性的变化相对很小)的电阻率变化可以通过改变经处理区域暴露的时间量来控制。
实施例16
经处理的区域的电阻率变化也可依赖于用于处理变化电阻率区域的化学品来控制。如实施例15中的上述方法制备透明的传导样品。将样品区域浸入Pd(AcO)2和ACN(1mg/mL)的溶液不同的时间量。然后用ACN冲洗样品两次并在氮气环境中干燥。下面的表6示出了光学特性(透明度和霾)和电阻率的变化，其作为样品暴露于溶液的时间量的函数。
表6
  在浸入之前   1分钟.   11分钟.   35分钟.   66分钟.
  ％T   89.5   89.4   89.2   88.7   88.5
  ％H   2.80   2.82   2.81   2.66   2.56
  Ohm/Sq.   51   47   58   173   193
如比较表5和表6所示出的那样，所暴露区域的电阻率大小随时间的改变量可依赖于该区域所暴露的化学品而改变。
实施例17
光刻胶构图方法
将银纳米线分散体制备为由0.2％的HPMC、250ppm的TritonX100和银纳米线组成。将该分散体旋转涂覆到衬底上并在180℃烘焙90秒。然后用AZ-3330F光刻胶旋转涂覆该纳米线膜，以制成2.5μm的透明传导膜。然后将该透明导体在110℃烘焙60秒。将光掩模放置为与一部分光刻胶层接触，并将透明导体在12mW/cm2的条件下曝光20秒。然后将该导体在110℃烘焙60秒。
然后用AZ300MIF显影剂对光刻胶进行显影，并对光刻胶进行冲洗并旋转干燥。然后将该导体暴露至Transene的银蚀刻剂10秒钟，并对该导体进行冲洗并旋转干燥。然后利用丙酮剥离光刻胶。用PGME中2.5％稀释的Polyset PCX35-39B覆盖透明导体，然后在180℃对透明导体固化45分钟。所产生的经构图的透明导体的线宽为5μm至10μm。利用光刻胶和本文公开的其他构图方法已经得到了更大的图案线宽。例如，已经得到了10μm至300μm以及10μm至50μm的线宽。
在本说明书中涉及和/或在申请数据表中列出的、上述所有的美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、国外专利、国外专利申请和非专利公开，通过引用而全部并入本文。
由前所述将会理解，尽管在此为了达到说明的目的，本文已对本发明的具体实施方案进行了描述，但在不脱离本发明的精神和范围的情况下可进行各种修改。因此，本发明由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种透明导体，包括：
衬底；以及
传导层，包括第一区域和第二区域，所述第一区域包括嵌在基质中的纳米线，所述第二区域包括嵌在所述基质中的经处理的纳米线，
其中所述第二区域具有比所述第一区域更高的电阻率，并且所述第一区域和所述第二区域具有基本上相同的光学性质。
2.如权利要求1所述的透明导体，其中所述第一区域中的所述纳米线为金属纳米线。
3.如权利要求2所述的透明导体，其中所述第二区域中的所述经处理的纳米线包括经氧化的金属纳米线。
4.如权利要求2所述的透明导体，其中所述第二区域中的所述经处理的纳米线包括经硫化的金属纳米线。
5.如权利要求1所述的透明导体，其中所述第二区域中的所述经处理的纳米线比所述第一区域中的所述纳米线短。
6.如权利要求1所述的透明导体，其中所述第二区域的电阻率比所述第一区域的电阻率大至少约1500Ω/□。
7.如权利要求1所述的透明导体，其中所述第一区域和所述第二区域具有基本上相同的透光度和霾。
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