CN104616833A - 大面积制备银纳米线透明电极的方法及银纳米线透明电极 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大面积制备银纳米线透明电极的方法及银纳米线透明电极，取适量银纳米线溶液，用离心机分离出银纳米线和溶剂，去除溶剂后，将底部银纳米线掺于光刻胶中，震荡直至银纳米线均匀分散其中，形成银纳米线-光刻胶悬浊液；将该悬浊液均匀旋涂到洁净的透明基底上，形成银纳米线-光刻胶薄膜；将旋涂有银纳米线-光刻胶薄膜的透明基底浸入去胶溶液中去除表面光刻胶；取出透明基底，待其表面溶液挥发后，银纳米线留在透明基底上形成均匀的银纳米线网络，即银纳米线透明电极。该银纳米线透明电极具有优异的导电性、透过率和均匀性；该方法与基底面积和基底表面形状无关，与滴胶的量也无严格关系，重复性和可靠性高，适合大面积批量生产。
Description
技术领域
本发明属于光电子技术领域，具体涉及一种大面积制备银纳米线透明电极的方法。
背景技术
透明电极是一种同时具有高导电性和高可见光透过率的薄膜材料，是构成发光二极管、太阳能电池、液晶显示、触摸屏等光电子器件的核心元件。目前，应用最广泛的透明电极材料是金属氧化物半导体，如氧化铟锡（ITO）等。尽管具有高导电性、高透过率，ITO仍然存在一些固有的材料属性问题。首先，ITO中的铟元素是一种稀缺材料，价格高、成本高，而且地球上的铟储量已远不能满足人们对透明电极日益增加的需求。其次，金属氧化物半导体多为陶瓷材料，性质脆，易断裂，易引起薄膜导电性下降，因此不宜应用于柔性光电子器件中。与金属氧化物半导体及新兴的碳基导电材料（包括聚合物半导体、碳纳米管、石墨烯等）相比，金属表现出了良好的电学和光学性质，尤其银纳米线最为突出（详见综述文章K. Ellmer, Nature Photonics 6(12): 809-817, 2012）。
目前，基于银纳米线的透明电极主要采用旋涂（J.-Y. Lee, S. T. Connor, Y. Cui, and P. Peumans, Nano Lett. 8(2): 689–692, 2008；J.-Y. Lee, S. T. Connor, Y. Cui, and P. Peumans, Nano Lett. 10(4): 1276–1279, 2010；S. Xie, Z, Ouyang, B. Jia and M. Gu, Opt. Express 21(S3): A355-A362, 2013）、喷涂（V. Scardaci, R. Coull, P. E. Lyons, D. Rickard, and J. N. Coleman, Small 7(18): 2621–2628, 2011.）、Meyer棒式涂覆（L. Hu, H. S. Kim, J.-Y. Lee, P. Peumans, and Y. Cui, ACS Nano 4(5): 2955–2963, 2010； C.-H. Liu and X. Yu, Nanoscale Res. Lett. 6(1): 75, 2011.）、干法转移（A. R. Madaria, A. Kumar, F. N. Ishikawa, and C. Zhou, Nano Res. 3(8): 564–573, 2010.）等方法来制备。由于银纳米线与基底间的粘附性往往较差，旋涂过程将损失大量银纳米线，且分布不均匀。喷涂方法适合小面积制备均匀分布的银纳米线网格，难以将银纳米线均匀地喷射到大面积基底上。Meyer棒式涂覆方法的均匀性取决于银纳米线的密度，密度越高，均匀性越好，但透过率势必降低。干法转移方法则直接影响银纳米线的长度和均匀性，进而影响其导电性。总之，现有的方法均无法实现大面积银纳米线透明电极的制备。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的银纳米线透明电极制备技术的不足，提供一种制备大面积均匀分布的银纳米线透明电极的方法及银纳米线透明电极。该制备方法极其简单，易于实施，成本低廉；同时，基于该方法制备的银纳米线透明电极具有良好的导电性和可见光波段透过率，且均匀性良好。
本发明的技术方案如下：
一种大面积制备银纳米线透明电极的方法，包括以下步骤：
（1）制备银纳米线-光刻胶悬浊液：
取适量银纳米线溶液，用离心机分离出银纳米线和溶剂，去除溶剂后，将底部银纳米线掺于光刻胶中，震荡直至银纳米线均匀分散到光刻胶中，形成银纳米线-光刻胶悬浊液；
（2）准备透明基底：
将透明基底清洗干净，然后干燥；
上述步骤（1）和（2）没有先后顺序关系；
（3）制备银纳米线-光刻胶薄膜：
将银纳米线-光刻胶悬浊液滴到透明基底上，旋转透明基底，使得银纳米线-光刻胶悬浊液均匀涂覆到透明基底上，形成银纳米线-光刻胶薄膜，厚度为100-600 nm；
（4）去除表面光刻胶：
将旋涂有银纳米线-光刻胶薄膜的透明基底浸入去胶溶液中，直至表面光刻胶被去除；取出透明基底，待其表面溶液挥发后，银纳米线留在透明基底上形成均匀的银纳米线网络，即银纳米线透明电极。
步骤（1）所述的光刻胶选自正性或负性光刻胶。
步骤（2）所述的干燥，采用干燥氮气吹干和/或用烘干设备烘干表面水分。
步骤（3）所述的银纳米线-光刻胶薄膜不可太厚，厚度为100-600 nm。
步骤（4）所述的去胶溶液根据步骤（2）所述的光刻胶的不同，可选自丙酮、正胶显影液、负胶显影液，且所选用的正胶或负胶显影液不能与银发生化学反应。
一种根据所述的方法制备的银纳米线透明电极。
本发明的有益效果包括：
（1）由本发明的方法制备的银纳米线透明电极具有优异的导电性和透过率，均优于传统ITO透明电极。
（2）由本发明的方法制备的银纳米线透明电极的覆盖面积取决于旋涂后的光刻胶覆盖透明基底的面积。只要光刻胶均匀覆盖在基底上，银纳米线即可均匀保留在透明基底上，与基底面积无关。
（3）本发明的方法与基底表面形状无关，因此可将银纳米线旋涂在任意的平面和非平面基底上，极大地拓展了该方法的应用范围。
（4）本发明的方法借助光刻胶实现银纳米线的均匀排布，但与滴胶的量无严格关系，只与旋涂的转速密切相关。与传统的旋涂银纳米线溶液的方法相比，该方法的重复性和可靠性更高，适合大面积批量生产。
附图说明
图1是由本发明的方法在4''石英玻璃上制备的银纳米线透明电极的扫描电子显微镜照片；
图2是由本发明的方法在4''石英玻璃上制备的银纳米线透明电极沿半径方向不同位置处的透射光谱曲线（图例中0表示4''石英玻璃中心位置；远离中心位置，其值增大；45 mm表示4''石英玻璃边缘）；
图3是由本发明的方法在4''石英玻璃上制备的银纳米线透明电极沿半径方向从中心（0）到边缘（45 mm）不同位置处的方块电阻。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。本领域技术人员可以在本发明所涉及的范围内做出修改和改进。
实施例1
本实施例的银纳米线透明电极的制备方法包括如下步骤：
（1）制备银纳米线-光刻胶悬浊液
取适量银纳米线溶液，用离心机分离出银纳米线和溶剂，去除溶剂后，将底部银纳米线掺于正性光刻胶（如聚丙烯酸甲酯PMMA，一种电子束敏感的正性光刻胶）中，震荡直至银纳米线均匀分散其中，形成银纳米线-光刻胶悬浊液，其中银纳米线浓度约为5 mg/mL；
（2）准备透明基底
选择直径4''石英玻璃作为透明基底，丙酮、甲醇、异丙醇各常温超声清洗5 min，氨水和双氧水混合溶液常温浸泡10 min，食人鱼溶液常温浸泡20 min，并用干燥氮气吹干，烘箱120℃烘干10 min；
（3）制备银纳米线-光刻胶薄膜
将银纳米线-光刻胶悬浊液滴到石英玻璃基底上，以一定速度旋转透明基底，使得银纳米线-光刻胶悬浊液均匀涂覆到该石英玻璃基底上，形成银纳米线-光刻胶薄膜，厚度约为200 nm（为得到亚微米厚的薄膜，光刻胶在掺入银纳米线前必须经过稀释处理）；
（4）去除表面光刻胶
将旋涂有银纳米线-光刻胶薄膜的透明石英玻璃基底浸入丙酮或者正胶显影液（该正胶显影液不与银发生化学反应）中，直至表面光刻胶被去除；取出透明石英玻璃基底，待其表面溶液挥发后，银纳米线留在透明石英玻璃基底上形成均匀的银纳米线网络，即银纳米线透明电极。
图1所示为按照上述实施例提供的技术方案制备的银纳米线透明电极的扫描电子显微镜照片。从图1可见，银纳米线均匀分布在石英玻璃表面。图2所示为其沿着半径方向不同位置处的可见光至近红外波段的透射光谱曲线。从图2可见，该银纳米线网络在一个非常宽的波段（340-1020 nm）具有将近90%的透过率，远高于传统ITO透明电极的透过率；沿着半径方向，从芯片中心到边缘，其透射光谱曲线变化非常小（小于0.05），意味着银纳米线在整个4''石英玻璃上是均匀分布的。通过四探针测试系统测得该样品沿着半径方向不同位置处的方块电阻，如图3所示。从图3可见，方块电阻介于11-36 Ω/■之间，远低于传统ITO透明电极的方块电阻。从中心到边缘，方块电阻有所增加，但增加的幅度非常小，再次说明银纳米线网络在整个4''石英玻璃上是均匀分布的。
实施例2
本实施例的银纳米线透明电极的制备方法包括如下步骤：
（1）制备银纳米线-光刻胶悬浊液
取适量银纳米线溶液，用离心机分离出银纳米线和溶剂，去除溶剂后，将底部银纳米线掺于负性光刻胶（如SU-8系列光刻胶）中，震荡直至银纳米线均匀分散其中，形成银纳米线-光刻胶悬浊液；
（2）准备透明基底
选择直径4''石英玻璃作为透明基底，丙酮、甲醇、异丙醇各常温超声清洗5 min，氨水和双氧水混合溶液常温浸泡10 min，食人鱼溶液常温浸泡20 min，并用干燥氮气吹干，烘箱120℃烘干10 min；
（3）制备银纳米线-光刻胶薄膜
将银纳米线-光刻胶悬浊液滴到石英玻璃基底上，以一定速度旋转透明基底，使得银纳米线-光刻胶悬浊液均匀涂覆到该石英玻璃基底上，形成银纳米线-光刻胶薄膜，厚度一般为100-600 nm（为得到亚微米厚的薄膜，光刻胶在掺入银纳米线前必须经过稀释处理）；
（4）去除表面光刻胶
将旋涂有银纳米线-光刻胶薄膜的透明石英玻璃基底浸入负胶显影液（该负胶显影液不与银发生化学反应）中，直至表面光刻胶被去除；取出透明石英玻璃基底，待其表面溶液挥发后，银纳米线留在透明石英玻璃基底上形成均匀的银纳米线网络，即银纳米线透明电极。
Claims (6)
1.一种大面积制备银纳米线透明电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备银纳米线-光刻胶悬浊液：
取适量银纳米线溶液，用离心机分离出银纳米线和溶剂，去除溶剂后，将底部银纳米线掺于光刻胶中，震荡直至银纳米线均匀分散到光刻胶中，形成银纳米线-光刻胶悬浊液；
（2）准备透明基底：
将透明基底清洗干净，然后干燥；
上述步骤（1）和（2）没有先后顺序关系；
（3）制备银纳米线-光刻胶薄膜：
将银纳米线-光刻胶悬浊液滴到透明基底上，旋转透明基底，使得银纳米线-光刻胶悬浊液均匀涂覆到透明基底上，形成银纳米线-光刻胶薄膜，厚度为100-600 nm；
（4）去除表面光刻胶：
将旋涂有银纳米线-光刻胶薄膜的透明基底浸入去胶溶液中，直至表面光刻胶被去除；取出透明基底，待其表面溶液挥发后，银纳米线留在透明基底上形成均匀的银纳米线网络，即银纳米线透明电极。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述的光刻胶选自正性或负性光刻胶。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）所述的干燥，采用干燥氮气吹干和/或用烘干设备烘干表面水分。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（3）所述的银纳米线-光刻胶薄膜不可太厚，厚度为100-600 nm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）所述的去胶溶液根据步骤（1）所述的光刻胶的不同，可选自丙酮、正胶显影液、负胶显影液，且所选用的正胶或负胶显影液不能与银发生化学反应。
6.一种根据权利要求1所述的方法制备的银纳米线透明电极。
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