CN106276778A - 一种金属纳米线膜的制备方法以及导电元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种金属纳米线膜的制备方法，该方法包括以下步骤：提供一基底，并在所述基底的一表面预先形成一金属层；提供一具有多个微孔的碳纳米管复合结构，该碳纳米管复合结构包括一碳纳米管结构以及一包覆于该碳纳米管结构表面的保护层，且该碳纳米管结构包括多个沿同一方向择优取向延伸的碳纳米管；以该碳纳米管复合结构为掩模干法刻蚀所述金属层，从而在所述基底的表面形成一金属纳米线膜；以及去除所述碳纳米管复合结构。本发明还涉及一种采用该方法制备的导电元件。本发明提供的金属纳米线膜的制备方法，采用碳纳米管复合结构作为掩模，且与干法刻蚀工艺相结合，该方法工艺简单，可以大面积制备金属纳米线膜。

Description

一种金属纳米线膜的制备方法以及导电元件
技术领域
本发明涉及纳米材料及纳米技术领域，尤其，涉及一种金属纳米线膜及其制备方法。
背景技术
现有的透明导电层通常为图案化的铟锡氧化物层(ITO Layer)、碳纳米管膜(CNT Film)、以及金属网(Metal Mesh)等。其中，金属网由于具有较好的柔韧性和导电性，受到广泛的关注。
现有技术制备金属网的方法通常需要制备专门的掩模，其工艺复杂，成本较高。而且，由于工艺限制，现有技术制备的金属网的线宽通常为几十微米，当应用于小尺寸电子设备，例如手机、平板电脑时，肉眼就可以看见金属网的金属线。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种具有更小线宽的金属纳米线膜以及工艺简单，成本低廉的制备方法。
一种金属纳米线膜的制备方法，该方法包括以下步骤：提供一基底，并在所述基底的一表面预先形成一金属层；提供一具有多个微孔的碳纳米管复合结构，该碳纳米管复合结构包括一碳纳米管结构以及一包覆于该碳纳米管结构表面的保护层，且该碳纳米管结构包括多个沿同一方向择优取向延伸的碳纳米管；以该碳纳米管复合结构为掩模干法刻蚀所述金属层，从而在所述基底的表面形成一金属纳米线膜；以及去除所述碳纳米管复合结构。
一种导电元件，其包括：一基底，该基底具有一表面；以及一设置于该基底表面的金属纳米线膜；其中，所述金属纳米线膜包括多个平行且间隔设置的金属纳米线束，每个金属纳米线束包括多个平行设置的金属纳米线；且每个金属纳米线束中的相邻金属纳米线之间的距离小于相邻的金属纳米线束之间的距离
相较于现有技术，本发明提供的金属纳米线膜的制备方法，采用碳纳米管复合结构作为掩模，且与干法刻蚀工艺相结合，该方法工艺简单，可以大面积制备金属纳米线膜。
附图说明
图1为本发明实施例提供的金属纳米线膜的制备方法的流程图。
图2为图1的碳纳米管复合结构的沿线II-II的截面图。
图3为本发明采用的碳纳米管拉膜的扫描电镜照片。
图4为本发明采用的非扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。
图5为本发明采用的扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。
图6为本发明实施例提供的碳纳米管复合结构的扫描电镜照片。
图7为本发明实施例提供的包覆有氧化铝层的单根碳纳米管的透射电镜照片。
图8为本发明实施例采用的碳纳米管拉膜经过激光扫描处理之后的扫描电镜照片。
图9-10为本发明实施例1制备的金属纳米线膜的扫描电镜照片。
图11为本发明实施例1制备的金属纳米线膜的金属纳米线的扫描电镜照片。
图12为本发明实施例1制备的金属纳米线膜的透光率和电阻的测试结果。
图13为本发明实施例2制备的金属纳米线膜的扫描电镜照片。
图14为本发明实施例2制备的金属纳米线膜的结构示意图。
图15为图14的金属纳米线膜的金属纳米线束的XV部分的放大图。
图16为本发明实施例3制备的金属纳米线膜的扫描电镜照片。
图17为本发明实施例3制备的金属纳米线膜的结构示意图。
图18为本发明实施例3制备的金属纳米线膜的透光率和电阻的测试结果。
图19为本发明实施例4制备的金属纳米线膜在加热条件下的电阻随时间变化的测试结果。
图20为本发明实施例4制备的金属纳米线膜在加热条件下的电阻随温度变化的测试结果。
图21为本发明实施例5制备的金属纳米线膜的扫描电镜照片。
图22为本发明实施例5制备的金属纳米线膜的透光率和电阻的测试结果。
图23为本发明实施例6制备的金属纳米线膜的扫描电镜照片。
图24为本发明实施例6制备的金属纳米线膜的透光率和电阻的测试结果。
图25为本发明实施例7制备的金属纳米线膜的扫描电镜照片。
图26为本发明实施例7制备的金属纳米线膜的透光率和电阻的测试结果。
图27为本发明实施例8制备的金属纳米线膜的扫描电镜照片。
图28为本发明实施例8制备的金属纳米线膜的透光率和电阻的测试结果。
图29为本发明实施例9制备的金属纳米线膜在加热条件下的电阻随温度变化的测试结果。
图30为本发明实施例9制备的金属纳米线膜在加热条件下的电阻随时间变化的测试结果。
图31为本发明实施例10制备的金属纳米线膜在加热条件下的电阻随温度变化的测试结果。
图32为本发明实施例10制备的金属纳米线膜在加热条件下的电阻随时间变化的测试结果。
主要元件符号说明
导电元件 10,20
基底 100
表面 101
金属层 102
金属纳米线膜 104
金属纳米线束 106
金属纳米线 107,108
碳纳米管复合结构 110
碳纳米管结构 112
保护层 114
微孔 116
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的金属纳米线膜及其制备方法作进一步的详细说明。为了便于理解，本发明先介绍金属纳米线膜的制备方法。
请参阅图1以及图2，本发明实施例提供一种大面积制备金属纳米线膜104的方法，其包括以下步骤：
步骤S10，提供一基底100，并在所述基底100的一表面101预先形成一金属层102；
步骤S20，提供一具有多个微孔116的碳纳米管复合结构110，该碳纳米管复合结构110包括一碳纳米管结构112以及一包覆于该碳纳米管结构112表面的保护层114，且该碳纳米管结构112包括多个沿同一方向择优取向延伸的碳纳米管；
步骤S30，在所述金属层102表面设置上述具有多个微孔116的碳纳米管复合结构110，从而使的所述金属层102部分暴露；
步骤S40，以该碳纳米管复合结构110为掩模干法刻蚀所述金属层102，从而在所述基底100的表面101形成一金属纳米线膜104；以及
步骤S50，去除所述碳纳米管复合结构110。
所述步骤S10中，所述基底100主要起支撑的作用，其可以为一曲面型或平面型的结构。所述基底100可以具有适当的透光度也可以不透明。该基底100可以由硬性材料或柔性材料形成。具体地，所述硬性材料可选择为玻璃、石英、金刚石、塑料、二氧化硅、氮化硅、氮化镓或砷化镓等。所述柔性材料可选择为聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酰亚胺(PI)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等聚酯材料，或聚醚砜(PES)、纤维素酯、聚氯乙烯(PVC)、苯并环丁烯(BCB)或丙烯酸树脂等材料。优选地，所述基底100为玻璃片、石英片或聚合物膜等透明基底，且所述基底100的透光度在75％以上。更优选地，所述基底100的透光度在90％以上。可以理解，形成所述基底100的材料并不限于上述列举的材料，只要能使基底100起到支撑的作用即可。在一个实施例中，所述基底100为一平面型的玻璃板。
所述金属层102的材料不限，可以为金、银、铜、铁、铝、镍以及铬中的一种或多种，只要可通过现有的方法如电子束蒸镀法、磁控溅射法或原子层沉积法等沉积于所述基底100表面101，并可通过干法刻蚀的方法形成图案即可。所述金属层102的尺寸和厚度不限，可以根据需要选择。优选地，所述金属层102的厚度小于100纳米。更优选地，所述金属层102的厚度小于50纳米。在一个实施例中，所述金属层102为一厚度为10纳米的金层，且该金层覆盖于所述基底100的整个表面101。
在所述步骤S20中，所述碳纳米管结构112包括多个有序排列且交叉设置的碳纳米管从而形成多个微孔，所述保护层114包覆于该多个碳纳米管的表面。优选地，所述保护层114包覆于每个碳纳米管的整个表面。所述多个碳纳米管通过范德华力紧密连接从而使该碳纳米管结构112及碳纳米管复合结构110形成一自支撑结构。所谓自支撑结构是指该结构可以无需一基底而保持一特定的膜状结构。因而，所述碳纳米管复合结构110具有自支撑性而可部分悬空设置。所述碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述碳纳米管平行于所述碳纳米管结构112的表面。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米～10纳米，双壁碳纳米管的直径为1.0纳米～15纳米，多壁碳纳米管的直径为1.5纳米～50纳米。所述碳纳米管的长度大于50微米。优选地，该碳纳米管的长度为200微米～900微米。
所述碳纳米管结构112包括至少一碳纳米管膜、至少一碳纳米管线或其组合。所述碳纳米管膜包括多个均匀分布的碳纳米管。该碳纳米管膜中的多个碳纳米管沿一个方向延伸，该多个碳纳米管组成多个碳纳米管束，所述碳纳米管的延伸方向平行于所述碳纳米管膜的表面。具体地，该碳纳米管膜可包括一碳纳米管拉膜。该碳纳米管线可以为一非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线。当所述碳纳米管结构112包括多个碳纳米管线时，该多个碳纳米管线相互平行间隔且呈一定角度交叉排列而形成一层状的碳纳米管结构。该层状的碳纳米管结构包括多个微孔，该微孔为一贯穿该层状的碳纳米管结构的厚度方向的通孔。该微孔的尺寸为1纳米～0.5微米。
请参阅图3，具体地，该碳纳米管拉膜包括多个连续且定向排列的碳纳米管束。该多个碳纳米管束通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管束包括多个相互平行的碳纳米管，该多个相互平行的碳纳米管通过范德华力紧密结合。该碳纳米管束的直径为10纳米～200纳米，优选地，10纳米～100纳米。该碳纳米管拉膜中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列。所述碳纳米管拉膜包括多个微孔。该微孔为一贯穿该层状的碳纳米管结构的厚度方向的通孔。该微孔可为孔隙和/或间隙。当所述碳纳米管结构112仅包括单层碳纳米管拉膜时，该碳纳米管拉膜中相邻的碳纳米管片段之间具有间隙，其中，该间隙的尺寸为1纳米～0.5微米。可以理解，在由多层碳纳米管拉膜组成的碳纳米管结构112中，相邻两个碳纳米管拉膜中的碳纳米管的排列方向有一夹角α，且0°≤α≤90°，从而使相邻两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管相互交叉组成一网状结构，该网状结构包括多个孔隙，该多个孔隙均匀且规则分布于碳纳米管结构112中，其中，该孔隙直径为1纳米～0.5微米。所述碳纳米管拉膜的厚度为0.01微米～100微米。所述碳纳米管拉膜可以通过拉取一碳纳米管阵列直接获得。所述碳纳米管拉膜的结构及其制备方法请参见范守善等人于2007年2月9日申请的，于2010年5月26日公告的第CN101239712B号中国公告专利“碳纳米管薄膜结构及其制备方法”，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。
请参阅图4，该非扭转的碳纳米管线包括多个沿该非扭转的碳纳米管线长度方向排列的碳纳米管。具体地，该非扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该非扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米～100纳米。非扭转的碳纳米管线为将碳纳米管拉膜通过有机溶剂处理得到。具体地，将有机溶剂浸润所述碳纳米管拉膜的整个表面，在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，碳纳米管拉膜中的相互平行的多个碳纳米管通过范德华力紧密结合，从而使碳纳米管拉膜收缩为一非扭转的碳纳米管线。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，在一个实施例中采用乙醇。通过有机溶剂处理的非扭转的碳纳米管线与未经有机溶剂处理的碳纳米管膜相比，比表面积减小，粘性降低。
所述扭转的碳纳米管线为采用一机械力将所述碳纳米管拉膜两端沿相反方向扭转获得。请参阅图5，该扭转的碳纳米管线包括多个绕该扭转的碳纳米管线轴向螺旋排列的碳纳米管。具体地，该扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米～100纳米。进一步地，可采用一挥发性有机溶剂处理该扭转的碳纳米管线。在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，处理后的扭转的碳纳米管线中相邻的碳纳米管通过范德华力紧密结合，使扭转的碳纳米管线的比表面积减小，密度及强度增大。
所述碳纳米管线状结构及其制备方法请参见范守善等人于2002年9月16日申请的，于2008年8月20日公告的第CN100411979C号中国公告专利“一种碳纳米管绳及其制造方法”，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司，以及于2005年12月16日申请的，于2009年6月17日公告的第CN100500556C号中国公告专利申请“碳纳米管丝及其制作方法”，申请人：清华大学，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司。为节省篇幅，仅引用于此，但上述申请所有技术揭露也应视为本发明申请技术揭露的一部分。
在一个实施例中，所述碳纳米管结构112为两层垂直交叉设置的碳纳米管拉膜，所述碳纳米管拉膜直接从生长好的碳纳米管阵列拉取得到，该碳纳米管结构112中的多个碳纳米管通过范德华力首尾相连且沿同一方向排列。
所述保护层114的材料为金属氧化物、金属硫化物以及非金属氧化物中的一种或多种。所述金属氧化物可为氧化铝、氧化镁、氧化锌、氧化铪等。所述非金属氧化物可以为二氧化硅等。可以理解，所述保护层114的材料不限于上述列举材料，只要可以物理性的沉积于所述碳纳米管结构112的表面，且在后续的刻蚀金属层102的过程中不被刻蚀即可。所述物理性的沉积是指所述保护层114不与所述碳纳米管结构112发生化学反应，而是通过范德华力与所述碳纳米管结构112紧密结合，并附于所述碳纳米管结构112中碳纳米管的表面。所述保护层114的厚度不限，可为3纳米～50纳米。为了避免所述碳纳米管结构112中的微孔过多的被所述保护层114覆盖，所述保护层114的厚度优选为3纳米～20纳米。所述碳纳米管复合结构110的微孔116孔径小于所述碳纳米管结构112中的微孔孔径。
所述碳纳米管复合结构110可以通过以下方法制备：首先，将所述碳纳米管结构112至少部分悬空设置；然后，在所述碳纳米管结构112表面沉积保护层114。
所述碳纳米管结构112具有相对的两个表面，所述碳纳米管结构112可通过一框架固定，位于框架内部的部分悬空设置，从而使得碳纳米管结构112充分暴露，以利于后续的在碳纳米管结构112相对的两个表面同时形成所述保护层114。所述框架为一中空的结构，具有一通孔。所述碳纳米管结构112的边缘可固定于所述框架中，位于中间的部分通过所述通孔暴露出来且悬空设置。通过所述框架，使得所述碳纳米管结构112的边缘能够牢固的固定，并保持位于通孔位置处的碳纳米管结构112充分暴露。在一个实施例中，所述框架为一“口”字形的边框，所述碳纳米管结构112的边缘通过所述边框固定。可以理解，所述碳纳米管结构112悬空设置的方式也可以为其他手段，比如金属网栅、具有中空结构的环状体等，只要实现使该碳纳米管结构112悬空即可。可通过电子束蒸镀法将所述保护层114沉积于所述碳纳米管结构112的表面。可以理解，所述沉积的方法不限于上述列举的方法，还可以为磁控溅射法、原子层沉积法等气相沉积法，只要保证所述保护层114在沉积的过程中不破坏所述碳纳米管结构112的形态和结构即可。
由于所述碳纳米管结构112悬空设置，因而所述碳纳米管结构112的两个表面均被所述保护层114覆盖。具体的，该保护层114包覆所述碳纳米管结构112中多个碳纳米管的至少部分表面。所述碳纳米管结构112包括多个微孔结构，可以理解，所述微孔结构中也可分布有所述保护层114。所述碳纳米管结构112中的碳纳米管与所述保护层114紧密结合，形成一整体的碳纳米管复合结构110。其中，所述碳纳米管结构112对所述保护层114起到支撑作用。所述碳纳米管复合结构110包括多个微孔116。所述微孔116为贯穿所述碳纳米管复合结构110的厚度方向的凹陷空间，该凹陷空间可为间隙或者微孔。
在一个实施例中，通过电子束蒸镀法在所述碳纳米管结构112的表面设置保护层114得到所述碳纳米管复合结构110，所述保护层114的材料为氧化铝，所述保护层114的厚度为10纳米。所述碳纳米管结构112中的每个碳纳米管被所述保护层114完全包覆。参见图6，为本实施例采用的碳纳米管复合结构110的扫描电镜照片。参见图7，为碳纳米管复合结构110中的单根碳纳米管的透射电镜照片。
进一步，在所述碳纳米管结构112表面沉积保护层114的步骤之前还可以包括一采用一激光沿着该碳纳米管结构112中的碳纳米管的延伸方向进行扫描的步骤。在一个实施例中，所述碳纳米管结构112为一碳纳米管拉膜，采用激光沿着该碳纳米管拉膜中的碳纳米管的延伸方向进行扫描。激光的功率密度大于0.053×1012瓦特/平方米，激光光斑的直径在10微米～100微米范围内，激光扫描照射时间小于1.8秒。优选地，激光器为二氧化碳激光器，该激光器的功率为30瓦特，波长为1.06微米，光斑直径为20微米～80微米，激光装置140与碳纳米管膜的相对运动速度小于10毫米/秒。扫描间距为0.05毫米～0.5毫米。参见图8，为经过激光扫描处理后的碳纳米管拉膜。与图3对比可见，经过激光扫描处理后，碳纳米管拉膜中定向排列的碳纳米管形成多个平行间隔设置的碳纳米管束。可以理解，当激光沿着碳纳米管的延伸方向进行扫描的过程中，为了确保形成的多个平行间隔设置的碳纳米管束依然能够形成一整体结构，需要采用一框架将该碳纳米管拉膜沿着碳纳米管的延伸方向的相对两边固定，或者激光扫描过程中应该确保该碳纳米管拉膜沿着碳纳米管的延伸方向的相对两边不被切断。当所述碳纳米管复合结构110包括多个交叉设置的碳纳米管拉膜时，需要先对每个碳纳米管拉膜进行激光扫描处理，然后再将激光扫描处理后的碳纳米管拉膜层叠交叉设置。
在所述步骤S30中，所述碳纳米管复合结构110可以直接设置于所述金属层102远离该基底100的表面。具体的，可先将所述框架和所述碳纳米管复合结构110一起转移至所述金属层102的表面，再移除所述框架。由于所述碳纳米管复合结构110具有多个微孔116，因而所述金属层102的表面部分通过该多个微孔116暴露出来。所述碳纳米管复合结构110与所述金属层102的表面之间并非完全紧密接触，部分的碳纳米管复合结构110与所述金属层102的表面之间可能存在空气。
将所述碳纳米管复合结构110设置于所述金属层102的表面之后，进一步还可以包括一通过溶剂对所述碳纳米管复合结构110进行处理，使所述碳纳米管复合结构110贴附在所述金属层102的表面的步骤。当向所述碳纳米管复合结构110的表面滴加溶剂，所述溶剂会浸润所述碳纳米管复合结构110，软化所述碳纳米管复合结构110，并将所述碳纳米管复合结构110与所述金属层102的表面之间的空气排出。当所述溶剂被去除后，所述碳纳米管复合结构110与所述金属层102的表面形成紧密的接触。所述溶剂可为水、有机溶剂等。所述有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷及氯仿。在一个实施例中，所述溶剂为乙醇，通过将所述乙醇滴加于所述碳纳米管复合结构110的表面，然后自然风干，使得所述碳纳米管复合结构110紧密贴附于所述金属层102的表面。
在所述步骤S40中，所述干法刻蚀是指通入一气体在电场作用下得到一等离子体，该等离子体可与被刻蚀物质发生反应而得到挥发性物质，比如：等离子体刻蚀、反应性离子刻蚀(RIE)。在一个实施例中，通过反应性离子刻蚀法刻蚀所述被暴露的金属层102的表面。具体的，通过向一等离子体系统通入一气体，所述气体可以为氧气、氯气、氢气、氯气、氩气、四氟化碳等。所述气体不限于上述列举气体，只要该气体可与该金属层102发生反应即可。优选地，采用氧气和氩气的反应性离子刻蚀法刻蚀所述金属层102，其中，所述等离子体系统的功率是20瓦～70瓦，氧气等离子体的通入速率为5～20标况毫升每分钟(standard-state cubic centimeter per minute，sccm)，氩气等离子体的通入速率为10sccm～25sccm，形成的气压为3帕～10帕，刻蚀时间为10秒～20秒。该通过反应性离子刻蚀法刻蚀被暴露的金属层102的部分表面，由于等离子体充分与金属层102反应，故，该过程反应时间短，效率较高。
在刻蚀所述基底100的过程中，所述刻蚀气体与被暴露的金属层102的部分发生化学反应，而并不与所述碳纳米管复合结构110的保护层114发生化学反应或者与保护层114发生化学反应的速度和程度远远小于刻蚀气体与该金属层102发生的化学反应。即，所述碳纳米管复合结构110起到掩模的作用。所述刻蚀气体与所述金属层102的材料以及所述保护层114的材料可参见下表1。
表1 刻蚀气体与金属层的材料、保护层的材料的对应表
编号 基底的材料 保护层的材料 刻蚀气体
1 Al SiO2 Cl2和BCl3
2 Au、Cr或Ni SiO2或SiNx或Al2O3 O2和Ar2
3 Cu SiO2或SiNx或Al2O3 SiCl4和Ar
在刻蚀的过程中，由于选择的刻蚀气体与保护层114不发生化学反应，而是与所述金属层102发生化学反应，因而被暴露的金属层102的表面会逐渐被刻蚀，而该金属层102被所述碳纳米管复合结构110覆盖的表面不会有变化。并且，由于所述碳纳米管复合结构110与所述金属层102的表面紧密结合，因而该金属层102被所述碳纳米管复合结构110覆盖的表面所形成的图形，与所述碳纳米管复合结构110悬空时向所述金属层102的正向投影所形成的图形一致。
可以理解，当所述碳纳米管结构112采用采用多层交叉的碳纳米管拉膜时，通过改变相邻的碳纳米管拉膜的交叉角度可以得到具有不同图案的金属纳米线膜104。当采用正向交叉的碳纳米管拉膜作为碳纳米管结构时，得到的所述金属纳米线膜104包括多个沿两个垂直方向交叉排列的金属线。由图1可见，金属纳米线膜104中的金属纳米线在交叉处为一体结构，而不是两条金属纳米线相互搭接。
在所述步骤S50中，所述去除碳纳米管复合结构110的方法不限，可为超声法、撕除法以及氧化法等中的一种或多种。在一个实施例中，采用超声法去除所述碳纳米管复合结构110。具体的，将带有所述碳纳米管复合结构110的基底100置于一N-甲基吡咯烷酮的溶液中超声数分钟，由于N-甲基吡咯烷酮的极性较大，因而可容易的将所述碳纳米管复合结构110与该基底100分离，而该金属纳米线膜104则保留在该基底100表面。
以下为本发明的具体实施例以及测试结果。
实施例1
本发明实施例1中，将两个碳纳米管拉膜层叠设置于一金属框上，使金属框中间的碳纳米管拉膜悬空设置。在该悬空设置的碳纳米管拉膜表面通过电子束沉积一层10纳米厚的三氧化二铝膜，从而得到一掩模。在玻璃基板表面沉积一金金属层。通过该金属框将掩模设置于玻璃基板表面的金金属层表面，并通过氩气和氧气的等离子体进行刻蚀得到金属纳米线膜。其中，所述等离子体系统的功率是40瓦，氧气等离子体的通入速率为7sccm，氩气等离子体的通入速率为20sccm，形成的气压为5帕，刻蚀时间为15秒。最后，将玻璃基板置于N-甲基吡咯烷酮的溶液中超声处理几分钟后，去除碳纳米管掩模。本发明实施例1中，分别采用10纳米、15纳米、20纳米以及25纳米厚度的金金属层来制备金属纳米线膜。
参见图6和图9可见，最后得到的金属纳米线膜的整体图案与所述碳纳米管复合结构的整体图案基本相一致。进一步参见图9-11，所述金属纳米线膜包括多个基本平行间隔且交叉设置的金属线。所述属线的线宽小于100纳米，优选地，线宽为小于50纳米，更优选地，线宽为5纳米～20纳米。所述属线的高度等于该金金属层的厚度。所述金属线的间距为10纳米～300纳米，优选地，间距为20纳米～100纳米，更优选地，间距为5纳米～20纳米。在一个实施例中，所述金线的线宽为20，线间距为50纳米。
参见图12，为本发明在玻璃基底上采用不同厚度的金膜制备的金属纳米线膜的性能测试。其中，透光性在可见光范围内测试。由图12可见，随着金膜厚度的增加，即，金属线高度的增加，所述金属纳米线膜的透射率在降低。采用10纳米厚度的金膜制备的金属纳米线膜对550纳米的可见光的透射率为76％。采用15纳米厚度的金膜制备的金属纳米线膜对550纳米的可见光的透射率为68％。采用20纳米厚度的金膜制备的金属纳米线膜对550纳米的可见光的透射率为61％。采用25纳米厚度的金膜制备的金属纳米线膜对550纳米的可见光的透射率为53％。同时，随着金膜厚度的增加，所述金属纳米线膜的电阻也在降低。在金属线的高度分别为10纳米、15纳米、20纳米以及25纳米时，所述金属纳米线膜的电阻分别为21.2Ω·□-1、8.8Ω·□-1、6.2Ω·□-1以及3.9Ω·□-1。
实施例2
本发明实施例2中制备金属纳米线膜的方法与本发明实施例1基本相同，其区别为，制备掩模的碳纳米管结构为一单层碳纳米管拉膜，且将该碳纳米管拉膜设置于一金属框上之前，先采用一波长为1.06微米的激光沿着碳纳米管拉膜中碳纳米管的延伸方向对该碳纳米管拉膜进行扫描，且扫描间距为0.1毫米。参见图13，得到的金属纳米线膜也仅仅包括沿同一方向延伸且间隔设置的金属纳米线束。本实施例中，金金属层的厚度为10纳米。
参见图14-15，本实施例的金属纳米线膜104和基底100共同形成一导电元件10。所述金属纳米线膜104设置于该基底100的一表面。所述金属纳米线膜104包括多个平行且间隔设置的金属纳米线束106。每个金属纳米线束106包括多个平行设置的金属纳米线107。每个金属纳米线束106中平行设置且相邻的金属纳米线107之间的距离小于相邻的金属纳米线束106之间的距离。可以理解，所述金属纳米线107并非绝对直线，而是具有适当的弯曲，因此，相邻的金属纳米线107之间并非绝对平行，还可能相互接触。进一步，每个金属纳米线束106还包括随机分布的金属纳米线108。该随机分布的金属纳米线108搭接在相邻的金属纳米线107之间。每个金属纳米线束106中平行设置且相邻的金属纳米线107之间的距离可以为0纳米～50纳米，相邻的金属纳米线束106之间的距离可以为10微米～100微米。所述金属纳米线束106的宽度为0.05毫米～0.5毫米，所述金属纳米线的宽度为0.5纳米～50纳米。
可以理解，所述相邻的金属纳米线束106之间的距离取决于激光光斑的直径大小，所述金属纳米线束106的宽度取决于激光扫描的扫描间距，所述金属纳米线107的宽度取决于碳纳米管膜中碳纳米管的直径，所述金属纳米线107的厚度取决于所述金金属层的厚度。
实施例3
本发明实施例3中制备金属纳米线膜的方法与本发明实施例1基本相同，其区别为，将两个碳纳米管拉膜层叠设置于一金属框上之前，先采用一波长为1.06微米的激光沿着碳纳米管拉膜中碳纳米管的延伸方向分别对该两个碳纳米管拉膜进行扫描，且扫描间距为0.1毫米。本发明实施例3中，也分别采用10纳米、15纳米、20纳米以及25纳米厚度的金金属层来制备金属纳米线膜。
参见图16-17，本发明实施例3得到的金属纳米线膜104包括多个平行间隔且交叉设置的金属纳米线束106，从而使该金属纳米线膜104形成一网状结构。所述交叉设置的金属纳米线束106为通过掩模干法刻蚀一金属层形成的一体结构。所述交叉设置的金属纳米线束106在交叉处的厚度等于每个金属纳米线束106的厚度。
由图18可见，采用10纳米、15纳米、20纳米以及25纳米厚度的金金属层来制备金属纳米线膜的可见光的透射率分别为87.5％、82.6％、71.7％、以及59.4％；电阻分别为78.2Ω·□-1、50.9Ω·□-1、18.6Ω·□-1以及11.5Ω·□-1。与图13对比可见，采用同样厚度的金金属层来制备金属纳米线膜，当碳纳米管拉膜经过激光扫描处理后，光的透射率增加，但薄膜的电阻也增加。
实施例4
本发明实施例4中制备金属纳米线膜的方法与本发明实施例1基本相同，其区别为，基底为一PET膜。本实施例中，采用厚度为15纳米的金金属层制备金属纳米线膜。参见图19，在120℃条件下，该金属纳米线膜的电阻随着时间基本稳定在50Ω·□-1。参见图20，在40℃～120℃范围内，该金属纳米线膜的电阻基本稳定，而不会随着温度变化而明显变化。
实施例5
本发明实施例5中制备金属纳米线膜的方法与本发明实施例1基本相同，其区别为，采用铝金属层制备金属纳米线膜。参见图21，为本发明实施例5得到的金属纳米线膜的扫描电镜照片。参见图22，本发明实施例5中，也分别采用10纳米、15纳米、20纳米以及25纳米厚度的铝金属层来制备金属纳米线膜，并分别对不同的样品进行了透光率和电阻测试。
实施例6
本发明实施例6中制备金属纳米线膜的方法与本发明实施例1基本相同，其区别为，采用铜金属层制备金属纳米线膜。参见图23，为本发明实施例5得到的金属纳米线膜的扫描电镜照片。参见图24，本发明实施例5中，也分别采用10纳米、15纳米、20纳米以及25纳米厚度的铜金属层来制备金属纳米线膜，并分别对不同的样品进行了透光率和电阻测试。
实施例7
本发明实施例7中制备金属纳米线膜的方法与本发明实施例3基本相同，其区别为，采用铝金属层制备金属纳米线膜。参见图25，为本发明实施例5得到的金属纳米线膜的扫描电镜照片。参见图26，本发明实施例5中，也分别采用10纳米、15纳米、20纳米以及25纳米厚度的铝金属层来制备金属纳米线膜，并分别对不同的样品进行了透光率和电阻测试。
实施例8
本发明实施例8中制备金属纳米线膜的方法与本发明实施例3基本相同，其区别为，采用铜金属层制备金属纳米线膜。参见图27，为本发明实施例5得到的金属纳米线膜的扫描电镜照片。参见图28，本发明实施例5中，也分别采用10纳米、15纳米、20纳米以及25纳米厚度的铜金属层来制备金属纳米线膜，并分别对不同的样品进行了透光率和电阻测试。
实施例9
本发明实施例9中制备金属纳米线膜的方法与本发明实施例1基本相同，其区别为，基底为一PET膜。本实施例中，采用厚度为15纳米的铝金属层制备金属纳米线膜。参见图29-30，本发明实施例分别对该样品的电阻在40℃～120℃范围内随温度的变化特性以及在120℃条件下电阻随时间的稳定性进行了测试。
实施例10
本发明实施例10中制备金属纳米线膜的方法与本发明实施例1基本相同，其区别为，基底为一PET膜。本实施例中，采用厚度为15纳米的铜金属层制备金属纳米线膜。参见图31-32，本发明实施例分别对该样品的电阻在40℃～120℃范围内随温度的变化特性以及在120℃条件下电阻随时间的稳定性进行了测试。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (24)

1.一种金属纳米线膜的制备方法，该方法包括以下步骤：
提供一基底，并在所述基底的一表面预先形成一金属层；
提供一具有多个微孔的碳纳米管复合结构，该碳纳米管复合结构包括一碳纳米管结构以及一包覆于该碳纳米管结构表面的保护层，且该碳纳米管结构包括多个沿同一方向择优取向延伸的碳纳米管；
以该碳纳米管复合结构为掩模干法刻蚀所述金属层，从而在所述基底的表面形成一金属纳米线膜；以及
去除所述碳纳米管复合结构。
2.如权利要求1所述的金属纳米线膜的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管结构包括一碳纳米管膜；该碳纳米管膜中的碳纳米管平行于所述碳纳米管膜的表面且沿同一方向择优取向延伸，在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连从而使该碳纳米管膜形成一自支撑结构。
3.如权利要求2所述的金属纳米线膜的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管结构包括多个层叠设置的碳纳米管膜；且相邻的两个碳纳米管膜中碳纳米管的延伸方向成一α角度，0°≤α≤90°。
4.如权利要求2所述的金属纳米线膜的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管复合结构通过以下方法制备：首先，将所述碳纳米管膜至少部分悬空设置；然后，在所述碳纳米管膜表面沉积保护层。
5.如权利要求4所述的金属纳米线膜的制备方法，其特征在于，所述保护层包覆于每个碳纳米管的整个表面，且所述保护层的厚度为3纳米～20纳米。
6.如权利要求4所述的金属纳米线膜的制备方法，其特征在于，所述保护层的材料为金属氧化物、金属硫化物以及非金属氧化物中的一种或多种。
7.如权利要求4所述的金属纳米线膜的制备方法，其特征在于，所述在所述碳纳米管膜表面沉积保护层的步骤之前进一步包括：采用一激光沿着该碳纳米管膜中的碳纳米管的延伸方向进行扫描。
8.如权利要求7所述的金属纳米线膜的制备方法，其特征在于，所述激光的功率密度大于0.053×1012瓦特/平方米，且所述激光的光斑直径为10微米～100微米。
9.如权利要求1所述的金属纳米线膜的制备方法，其特征在于，所述以该碳纳米管复合结构为掩模干法刻蚀所述金属层的步骤包括：将所述具有多个微孔的碳纳米管复合结构设置在所述金属层表面，从而使所述金属层部分暴露。
10.如权利要求1所述的金属纳米线膜的制备方法，其特征在于，所述干法刻蚀所述金属层的方法为等离子刻蚀或反应性离子刻蚀。
11.如权利要求1所述的金属纳米线膜的制备方法，其特征在于，所述去除碳纳米管复合结构的方法为超声法、撕除法以及氧化法中的一种或多种。
12.如权利要求1所述的金属纳米线膜的制备方法，其特征在于，所述去除碳纳米管复合结构的步骤之后进一步包括一将该金属纳米线膜转印到其它基底表面的步骤。
13.如权利要求1所述的金属纳米线膜的制备方法，其特征在于，所述基底为玻璃片、石英片或聚合物膜。
14.如权利要求1所述的金属纳米线膜的制备方法，其特征在于，所述金属层的材料为金、银、铜、铁、铝、镍以及铬中的一种或多种。
15.一种导电元件，其包括：一基底，该基底具有一表面；以及一设置于该基底表面的金属纳米线膜；其特征在于，所述金属纳米线膜包括多个平行且间隔设置的金属纳米线束，每个金属纳米线束包括多个平行设置的金属纳米线；且每个金属纳米线束中的相邻金属纳米线之间的距离小于相邻的金属纳米线束之间的距离。
16.如权利要求15所述的导电元件，其特征在于，每个金属纳米线束中的相邻金属纳米线之间的距离为0纳米～50纳米，相邻的金属纳米线束之间的距离为10微米～100微米。
17.如权利要求15所述的导电元件，其特征在于，所述金属纳米线束的宽度为0.05毫米～0.5毫米，所述金属纳米线的宽度为0.5纳米～50纳米。
18.如权利要求15所述的导电元件，其特征在于，所述金属纳米线膜包括多个平行间隔且交叉设置的金属纳米线束，从而使该金属纳米线膜形成一网状结构。
19.如权利要求18所述的导电元件，其特征在于，所述交叉设置的金属纳米线束为通过掩模干法刻蚀一金属层形成的一体结构。
20.如权利要求18所述的导电元件，其特征在于，所述交叉设置的金属纳米线束在交叉处的厚度等于每个金属纳米线束的厚度。
21.如权利要求15所述的导电元件，其特征在于，每个金属纳米线束还包括多个随机分布的金属纳米线。
22.如权利要求21所述的导电元件，其特征在于，所述随机分布的金属纳米线搭接在相邻的金属纳米线之间。
23.如权利要求15所述的导电元件，其特征在于，所述基底为玻璃片、石英片或聚合物膜。
24.如权利要求15所述的导电元件，其特征在于，所述金属层的材料为金、银、铜、铁、铝、镍以及铬中的一种或多种。
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