CN107103945A

CN107103945A - 一种铜纳米线透明导电薄膜及制备方法

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Publication number: CN107103945A
Application number: CN201710487596.6A
Authority: CN
Inventors: 李伸杰; 陈艳艳; 查天庸
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2017-08-29

Abstract

本发明涉及一种铜纳米线透明导电薄膜及制备方法。所述铜纳米线透明导电薄膜内的铜纳米线分布均匀，纳米线终端无颗粒，无团聚现象；铜纳米线透明导电薄膜的透过率86%时，方阻低至30欧姆/□。制备铜纳米线透明导电薄膜的操作步骤如下：（1）将二价铜离子盐和葡萄糖加入水混合，得到溶液A，将油胺和油酸溶加入无水乙醇混合，得到溶液B；（2）将溶液A、溶液B和水稀释搅拌混合，得到溶液C；（3）将溶液C在一定压力、温度条件下反应得到铜纳米线粗溶液；（4）将铜纳米线粗溶液和聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液混合，离心洗涤数次，经湿法加工技术在基底上面成膜；（5）在惰性气体氛围下，经高温退火获得铜纳米线透明导薄膜。本发明的制造成本低。

Description

一种铜纳米线透明导电薄膜及制备方法

技术领域

本发明涉及金属纳米材料以及透明导电网络的技术领域。特别涉及一种铜纳米线透明导电薄膜及制备方法。

背景技术

透明导电薄膜在薄膜太阳能电池、平板显示器、发光二极管、低辐射玻璃等方面有着重大的应用价值。传统的透明导电薄膜包括铟掺杂氧化锡（ITO）、氟掺杂氧化锡（FTO）和铝掺杂氧化锌（AZO）制造技术已经成熟，但制备成本过高、质脆易碎，大大限制了其作为导电材料在可折叠的电子纸、有机显示器、可穿戴设备等柔性器件上的发展。针对传统的透明导电氧化物制作成本高的问题，铜纳米线透明导电网络由于其储量丰富，价格低廉，从而可以大幅度的降低透明导电薄膜的制备成本。此外，铜纳米线具有优异的导电性与透过率以及柔性性能，被认为是替代透明导电氧化物的新一代透明导电薄膜材料。

目前，高质量的铜纳米线已经可以通过模板法、静电纺丝法、气相沉积法等方法合成出来，这些方法虽然具有可控性好，长径比可调等优点，但这些方法通常在实验室的烧瓶里面或在密闭反应器内被合成出来的，并且条件苛刻、成本较高，因此并不适合超大规模的生产，鉴于此，发展一种适合大规模合成铜纳米线的方法是非常必要的。

现有技术公开了一种合成不同长径比的铜纳米线的方法，但是该方法使用高温容器难以实现大规模生产。

发明内容

为了提高铜纳米线透明导电薄膜的质量，降低铜纳米线透明导电薄膜的成本，实现大规模生产，本发明提供一种铜纳米线透明导电薄膜及制备方法。

一种铜纳米线透明导电薄膜，所述铜纳米线透明导电薄膜内的铜纳米线分布均匀，铜纳米线直径为40～50 nm，长度为40～90 μm，长径比为300～1700，纳米线终端无颗粒，无团聚现象；铜纳米线透明导电薄膜的透过率86%时，方阻低至30欧姆/□。

制备铜纳米线透明导电薄膜的操作步骤如下：

（1）将二价铜离子盐和葡萄糖加入水混合，配制成体积为0.5 L～1 L的溶液A，将油胺和油酸溶加入无水乙醇混合，配制成体积为0.1 L～0.5 L的溶液B；

所述二价铜离子盐：葡萄糖：油胺：油酸的摩尔比用量为1:：0.5～2：3～8：0.03～0.15；

（2）将溶液A和溶液B混合，加水稀释至1L～24L，温度40～60 ℃下搅拌4～12小时，得到溶液C；

（3）将溶液C在宏量反应容器中，压力为0.12 MPa～0.18MPa，反应2～12小时，得到长径比不同的铜纳米线粗溶液；

（4）将铜纳米线粗溶液和聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液混合，离心洗涤数次，经湿法加工技术在基底上面成膜；

所述聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液中聚乙烯吡咯烷酮的质量分数为3%～8%；

所述铜纳米线粗溶液和聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液的体积比为1：0.5～10；

（5）在惰性气体氛围下，经高温退火获得铜纳米线透明导薄膜。

进一步限定的技术方案如下：

步骤（1）中，所述二价铜离子盐：葡萄糖：油胺：油酸的摩尔比用量为1：1：6：0.06。

步骤（3）中，所述的宏量反应容器为电压力锅、普通压力锅。

所述聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为8000或24000或55000或130000。

步骤（4）中，所述湿法加工技术包括喷涂、旋涂、丝网印刷、刮涂、喷墨打印或垂直提拉法。

步骤（4）中，所述基底的材料为玻璃、塑料基片、木材、陶瓷或硅片。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明制得的铜纳米线透明导电薄膜具有制备成本低，光学及导电性能好，透过率高达86%的同时，方阻低至30欧姆/□，在太阳能电池、触摸屏、防静电涂层等光电器件领域有重大的应用价值。

2.本发明制备方法，采用电压力锅为反应容器，可宏量制备铜纳米线，制备的铜纳米线长径比可控，形貌均匀，分散性好；制得的铜纳米线透明导电薄膜透过率高，导电性好，其性能接近甚至超过传统的ITO，本发明制备的铜纳米线透明导电薄膜并可使用柔性材料作为基地，克服了传统透明导电氧化物质脆易碎的缺点，在可折叠的电子纸、有机显示器、可穿戴设备等柔性器件上的具有巨大的发展前景。

附图说明

图1为实施例1中制备的铜纳米线的扫描电子显微镜（SEM）图。

图2为实施例1中制备的铜纳米线的于不同放大倍数下的透射电子显微镜（TEM）图。

图3为实施例1中制备的铜纳米线的X射线衍射（XRD）图。

图4为实施例1中制备的不同密度的铜纳米线透明导电薄膜的SEM图。

图5为实施例2中制备的铜纳米线的SEM图。

图6为实施例3中制备的铜纳米线的SEM图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地说明。

实施例1

制备铜纳米线透明导电薄膜的操作步骤如下：

（1）将40 mmol （6.8 g）二水合氯化铜和40 mmol （7.92 g）葡萄糖加入一个装有800mL去离子水的烧杯中，在磁力搅拌的条件下，得到体积800 mL的溶液A；

将240 mmol（65 g）油胺、2.4 mmol（0.68 g）油酸和140 mL乙醇溶剂加入容量为 400mL 的烧杯中并超声振动 10 分钟，得到体积220 .8 mL的溶液B；

二价铜离子盐：葡萄糖：油胺：油酸的摩尔比用量为1：1：6：0.06；

（2）将溶液A和溶液B倒入一个容积为5 L 的塑料桶中并加入二次水使溶液稀释至4000mL。在 50 ℃的条件下磁力搅拌 12 小时，混合溶液的颜色由蓝色变为了青灰色，得到溶液C。

（3）将溶液C装入容量为5 L 的商用电压力锅中，压力为0.13 MPa，反应6 小时，获得具有红棕色的铜纳米线粗溶液。

（4）取4 mL 铜纳米线粗溶液，加入4 mL含有质量比为 3%、重均分子量为55000的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）乙醇溶液，铜纳米线粗溶液和聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液的体积比为1：1；超声震荡使溶液混合均匀，转速 12000 转/分下离心4 钟。之后将沉淀加入4 mL质量比为 3%、重均分子量为55000的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，12000 转/分离心4分钟，重复2次，加入4 mL乙醇稀释，即得到具有良好分散性的铜纳米线分散液。

（5）铜纳米线透明导电薄膜通过旋涂法制备，在玻璃基底上以2500 转/分的速度旋涂 10 秒，然后薄膜被移至充满氮气环境的手套箱内以340 ℃的温度烧结 20 分钟来除去表面残留的PVP，获得铜纳米线透明导电薄膜。

图1-2为制备的铜纳米线的SEM和TEM图谱，从图中可以看出铜纳米线的平均直径在50 nm左右，长度在40～60 μm，没有发生团聚的现象，铜纳米线没有终端颗粒。图3为制备的铜纳米线的XRD图片，可以看出其结构为面心立方结构，且没有发现CuO，Cu₂O的衍射峰。图4为制备的不同密度铜纳米线透明导电薄膜的SEM照片。铜纳米线透明导电薄膜的透过率86%时，方阻低至30欧姆/□。

实施例2

（1）将20 mmol （3.4 g）二水合氯化铜和20 mmol （3.96 g）葡萄糖加入一个装有800mL去离子水的烧杯中，在磁力搅拌的条件下，得到体积800 mL的溶液A；

将120 mmol（32.5 g）油胺、1.2 mmol（0.34 g）油酸和70 mL乙醇溶剂加入容量为 400mL 的烧杯中并超声振动 10 分钟，得到体积110.4 mL的溶液B；

（3）将溶液C装入容量为5 L 的商用电压力锅中，压力为0.12 MPa，反应12小时，获得具有红棕色的铜纳米线粗溶液。

（4）取4 mL 铜纳米线粗溶液，加入3 mL含有质量比为 4%、重均分子量为8000的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）乙醇溶液，铜纳米线粗溶液和聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液的体积比为1：0.75；超声震荡使溶液混合均匀，转速 12000 转/分下离心 4 分钟。之后将沉淀加入4 mL质量比为4%、重均分子量为8000的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，12000 转/分离心3分钟，重复3次，加入4 mL乙醇稀释，即得到具有良好分散性的铜纳米线分散液。

（5）铜纳米线透明导电薄膜通过旋涂法制备，在玻璃基底上以2000 转/分的速度旋涂 15秒，然后薄膜被移至充满氮气环境的手套箱内以340 ℃的温度烧结 20 分钟来除去表面残留的PVP，获得铜纳米线透明导电薄膜。

图5为该方法制备的铜纳米线的SEM图，由附图可知，本方法制备的铜纳米线直径在42~48 nm，长度在60~90 μm，长径比达1700，没有发生团聚现象，纳米线终端无颗粒。铜纳米线透明导电薄膜的透过率86%时，方阻低至30欧姆/□。

实施例3

（3）将溶液C装入容量为5 L 的商用电压力锅中，压力为0.14 MPa，反应12 小时，获得具有红棕色的铜纳米线粗溶液。

（4）取4 mL 铜纳米线粗溶液，加入2 mL含有质量比为 5%、重均分子量为24000的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）乙醇溶液，铜纳米线粗溶液和聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液的体积比为1：0.5；超声震荡使溶液混合均匀，转速 10000 转/分下离心4钟。之后将沉淀加入4 mL质量比为 3%、重均分子量为24000的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，10000 转/分离心5分钟，重复两次，加入4 mL乙醇稀释，即得到具有良好分散性的铜纳米线分散液。

（5）铜纳米线透明导电薄膜通过旋涂法制备，在玻璃基底上以2000 转/分的速度旋涂 15 秒，然后薄膜被移至充满氮气环境的手套箱内以340 ℃的温度烧结20分钟来除去表面残留的PVP，获得铜纳米线透明导电薄膜。

图6为该方法制备的铜纳米线的SEM图，由附图可知，本方法制备的铜纳米线直径在45~50 nm，长度在60~90 μm，没有发生团聚现象，纳米线终端无颗粒。铜纳米线透明导电薄膜的透过率86%时，方阻低至30欧姆/□。

实施例4

（3）将溶液C装入容量为5 L 的商用电压力锅中，压力为0.14 MPa，反应6 小时，获得具有红棕色的铜纳米线粗溶液。

（4）取4 mL 铜纳米线粗溶液，加入3 mL含有质量比为 4%、重均分子量为24000的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）乙醇溶液，铜纳米线粗溶液和聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液的体积比为1：0.75；超声震荡使溶液混合均匀，转速 10000 转/分下离心 4 分钟。之后将沉淀加入4mL质量比为4%、重均分子量为24000的聚乙烯吡咯烷酮乙醇溶液，12000 转/分离心3分钟，重复3次，加入4 mL乙醇稀释，即得到具有良好分散性的铜纳米线分散液。

（5）铜纳米线透明导电薄膜通过旋涂法制备，在玻璃基底上以2000 转/分的速度旋涂 15秒，然后薄膜被移至充满氮气环境的手套箱内以340 ℃的温度烧结 20 分钟来除去表面残留的PVP，获得铜纳米线透明导电薄膜。铜纳米线透明导电薄膜的透过率86%时，方阻低至30欧姆/□。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种铜纳米线透明导电薄膜，其特征在于：铜纳米线透明导电薄膜内的铜纳米线分布均匀，铜纳米线直径为40～50 nm，长度为40～90 μm，长径比为300～1700，纳米线终端无颗粒，无团聚现象；铜纳米线透明导电薄膜的透过率86%时，方阻低至30欧姆/□。

2.制备权利要求1所述一种铜纳米线透明导电薄膜的方法，其特征在于操作步骤如下：

（3）将溶液C在宏量反应容器中，压力为0.12 MPa～0.18MPa、反应2～12小时，得到长径比不同的铜纳米线粗溶液；

（4）将铜纳米线粗溶液和聚乙烯吡咯烷酮的乙醇溶液混合，离心洗涤数次，经湿法加工技术在基底上面成膜；

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述二价铜离子盐：葡萄糖：油胺：油酸的摩尔比用量为1：1：6：0.06。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，所述的宏量反应容器为电压力锅、普通压力锅。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为8000或24000或55000或130000。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，所述湿法加工技术包括喷涂、旋涂、丝网印刷、刮涂、喷墨打印或垂直提拉法。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤（4）中，所述基底的材料为玻璃、塑料基片、木材、陶瓷或硅片。