CN107610814A - 一种基于超薄金属网格的透明电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于超薄金属网格的透明电极及其制备方法，涉及透明电极技术领域。该透明电极包括经表面修饰过的柔性透明衬底，所述柔性透明衬底经表面修饰的一面沉积有厚度为1～10nm的导电金属网格层。该透明电极的制备方法是在衬底表面嫁接一层胺基、用光刻或胶体印刷形成掩模板、掩模板间隙沉积1～10nm厚度的金属层、除去掩模板，即得基于超薄金属网格的透明电极。本发明通过降低金属网格的厚度，提高了金属网格的透光率，同时使金属网格在厚度为1～10nm时仍具有较好的导电性，解决了透明电极导电性和透光率“此消彼长”的问题，实现了导电性和透光率二者性能的平衡。

Description

一种基于超薄金属网格的透明电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及透明电极技术领域，具体涉及一种基于超薄金属网格的透明电极及其制备方法
背景技术
透明电极因同时具备光学方面的高透光率及低电阻率，广泛应用于各种光电功能材料与器件，包括太阳能电池、光电探测和传感器、图像传感器、显示器、有机发光二极管和触摸屏面板。目前透明电极主要包括：铟锡氧化物(ITO)透明电极、碳纳米管透明电极、石墨烯透明电极、金属纳米线透明电极、金属网格透明电极等。
导电性和透光率是透明电极材料的主要性能指标，大部分透明电极材料需要平衡两者的性能，但是很多透明电极都存在导电性和透光率“此消彼长”的问题，比如金属网格透明电极，其透光率和导电性往往难以兼得。为了提高通常厚度的金属网格透明电极的导电性，一般需要缩小网格的尺寸，但是电极的透光率会大大降低；若提高网格的线宽，则会出现莫尔条纹现象；虽然通过降低网格的厚度可以解决这些问题，但是当网格的厚度低于10nm时，金属网格会不连续呈岛状分布从而使其导电性能下降，且当这种岛状结构严重时会散射入射光而不是透过入射光，导致透光率急剧降低。因此对于此类相对较厚的金属膜层，研究如何实现金属膜层高透光率，同时不影响电极结构中金属膜层的导电性是非常有意义的。
CN104485279 A公开了一种基于金属纳米网格的透明电极及其制备方法，该申请是在硅衬底上通过对光刻胶进行曝光显影，获得金属纳米网格，之后通过粘合剂与透明衬底结合，最后腐蚀除掉硅衬底，从而完成将金属纳米网格透明电极转移至透明衬底的过程，该申请不仅工艺较复杂，而且导电性及透光率是通过控制金属纳米网格的线宽、厚度和周期结构的周期来实现的，很难实现导电性和透光率的平衡。CN101246911B公开了一种金属微网格透明电极及其制备方法，该透明电极的金属微网格厚度为10～50nm，制备方法是单分散聚苯乙烯微球组装单层胶体晶体模板，然后利用磁控溅射技术，向模板缝间沉积金属，溅射时间5-10分钟；最后，经有机溶剂超声清洗20-30分钟去除聚苯乙烯微球模板，得到透明电极。该申请首先金属网格的厚度较厚，因此其透光率较弱，其次该申请并未降低金属和衬底之间的表面能差，金属表面的润湿性差。CN 102593194 A公开了透明电极基板及其制造方法以及具有该透明电极基板的电子设备和太阳能电池，该申请是在透明基材的一面形成第一透明导电层；在第一透明导电层上形成导电金属层；将导电金属层进行光刻胶图案处理形成导电金属网状层；在导电金属网状层的表面形成第二透明导电层，该申请结构复杂。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明的目的在于一种基于超薄金属网格的透明电极，本发明通过降低金属网格的厚度，来提高金属网格的透光率，同时金属网格还能呈连续生长，具有较好的导电性。
本发明的另一目的是提供上述基于超薄金属网格的透明电极的制备方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于超薄金属网格的透明电极，该透明电极包括经表面修饰过的柔性透明衬底，所述柔性透明衬底经表面修饰的一面沉积有厚度为1～10nm的金属网格层。
进一步的，所述透明电极的透光率为50～96％。
进一步的，所述金属网格层包括由银、金、铂、铝、铜、钛、锡、铁、镍、钴、锌、铟中的任意1种或2种以上的合金形成的层。通过改变沉积金属的种类，可以得到不同种类的金属网格层，满足不同产品的需求。
本发明还提供了另一技术方案，一种基于超薄金属网格的透明电极的制备方法，包括以下步骤：
(1)对柔性透明衬底进行表面修饰；
(2)在柔性透明衬底表面利用光刻或胶体印刷形成掩模板；
(3)在掩模板间隙沉积1～10nm厚度的金属层；
(4)除去掩模板，即得基于超薄金属网格的透明电极。
进一步的，还包括在所述步骤(1)前对柔性透明衬底进行紫外线处理。
进一步的，步骤(1)中的表面修饰为在柔性透明衬底表面嫁接一层胺基。
进一步的，步骤(2)中采用自组装聚苯乙烯胶体晶体作为掩模板。
进一步的，步骤(2)中采用镀膜技术在掩模板间隙沉积金属层。
进一步的，采用电子束蒸发的方法在掩模板间隙沉积金属层，电子束蒸发的蒸发速率为0.1～10埃/s，初始压强为1～100kPa。
进一步的，步骤(4)中的掩模板用有机溶剂甲苯除去，然后用丙酮、酒精除去残留在该透明电极上的甲苯，并用氮气吹干，即得基于超薄金属网格的透明电极。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过降低金属网格的厚度，提高了金属网格的透光率，同时使金属网格在厚度为1～10nm时仍具有较好的导电性，解决了金属网格厚度在10nm以下时，金属呈不连续的岛状分布，导致金属网格不导电的问题，实现了导电性和透光率二者性能的平衡。
(2)本发明可以通过改变衬底的表面能，从而得到不同厚度阈值的金属网格电极；通过改变镀膜的时间和功率，可以得到不同厚度的金属网格电极；通过改变掩模板的形状，可以得到不同结构的金属网格电极，因此本发明的产品可以满足不同产品的需求。
(3)本发明的方法对网格的尺寸、线间距没有限制，其金属自身就可以透光，因此不存在莫尔条纹的问题。
(4)本发明的方法用料少，成本低廉，金属厚度为1～10nm就可以满足金属网格电极的导电性能
(5)本发明的方法简单快速，按照1nm/s的速度，9s即完成了镀膜的过程，且对真空度要求不高，适合大规模工业化生产。
附图说明
图1本发明基于超薄金属网格的透明电极的制备过程示意图；
图中所示，1、衬底，2、紫外处理，3、胺基表面修饰，4、掩模板，5、金属网格层；
图2是石英和实施例一、实施例二制得的超薄金属网格透明电极的透光率随波长变化的曲线图；
图3a是实施例一制得的超薄金属网格透明电极放大2000倍的扫描电镜图；
图3b是实施例一制得的超薄金属网格透明电极放大2000倍的扫描电镜图；
图3c是实施例二制得的超薄金属网格透明电极放大200倍的扫描电镜图；
图3d是实施例三制得的超薄金属网格透明电极放大2000倍的扫描电镜图。
具体实施方式
下面用具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不仅局限于以下具体实施例。
实施例一
一种基于超薄金属网格的透明电极，该透明电极通包括柔性透明衬底，所述柔性透明衬底的一面沉积了厚度为9nm的Ag网格层。
该超薄金属网格透明电极通过如下方法制备得到：
(1)对柔性透明衬底进行紫外线处理；
(2)用聚醚酰亚胺(PEI)对柔性透明衬底表面嫁接一层胺基；
(3)用胶体印刷在衬底表面形成周期为1400nm的掩模板；
(4)采用电子束蒸发的方法，向掩模板沉积金属Ag，初始压强为6×104Pa，蒸发速率为1.7埃/s，功率为9kw，镀膜9s后停止，在掩模板缝隙处的衬底表面生长了9nm的银网格薄膜；
(5)在甲苯溶液中取出胶体掩模板，用丙酮、酒精除去残留在该透明电极上的甲苯，用氮气吹干，即得到网格厚度为9nm、周期为1400nm的Ag网格透明电极。
采用以下方法对实施例一制得的制得的网格厚度为9nm、周期为1400nm的Ag网格透明电极进行透光率、方阻的测定，同时对透明电极的金属网格结构进行观察：
1、透光率的测定：
采用紫外分光光度计(lamda 950)测定，得到该透明电极的透光率为85％。
2、方阻的测定
采用四探针方阻测试仪(ST-2258A)测定，得到该透明电极的方阻为27Ω/sq。
3、透明电极的金属网格结构：
采用扫描电子显微镜(JSM-7800F)观察，得到该透明电极的形貌图，如图3a和图3b所示。
实施例二
一种基于超薄金属网格的透明电极，该透明电极通包括柔性透明衬底，所述柔性透明衬底的一面沉积了厚度为9nm的Au网格层。
该超薄金属网格的透明电极通过如下方法制备得到：
(1)对柔性透明衬底进行紫外线处理；
(2)用聚醚酰亚胺(PEI)对柔性透明衬底表面嫁接一层胺基；
(3)用光刻技术技术在衬底表面形成周期为100μm的掩模板；
(4)采用电子束蒸发的方法，向掩模板沉积金属Au，初始压强为6×104Pa，功率为9kw，蒸发速率为6埃/s，镀膜9s后停止，在掩模板缝隙处的衬底表面生长了9nm的Au网格薄膜；
(5)在甲苯溶液中取出胶体掩模板，用丙酮、酒精除去残留在该电极上的甲苯，并用氮气吹干，即得到网格厚度为9nm、周期为100μm的Au网格透明电极。
采用实施例一中测定方法对实施例二制得的超薄金属网格透明电极进行透光率和方阻的测定，得到该透明电极的透光率为87％，方阻为83Ω/sq，该透明电极的形貌图如图3c所示。
实施例三
一种基于超薄金属网格的透明电极，该透明电极包括柔性透明衬底，柔性透明衬底的一面沉积有双周期的Ag、Au网格层。
该超薄金属网格的透明电极通过如下方法制备得到：
(1)对柔性透明衬底进行紫外线处理；
(2)用聚醚酰亚胺(PEI)对柔性透明衬底表面嫁接一层胺基；
(3)用胶体印刷在衬底表面形成周期为1400nm的掩模板；
(4)采用电子束蒸发的方法，向掩模板沉积金属Ag，初始压强为6×104Pa，功率为9kw，蒸发速率为1.7埃/s，镀膜9s后停止，在掩模板缝隙处的衬底表面生长了6nm的Ag网格薄膜；
(5)在甲苯溶液中取出胶体掩模板，用丙酮、酒精除去残留在该电极上的甲苯，并用氮气吹干，即得到网格厚度为9nm、周期为1400nm的Ag网格透明电极。
(6)继续用光刻技术技术在Ag网格电极衬底表面继续形成周期为100μm的掩模板；
(7)采用电子束蒸发的方法，向掩模板沉积金属Au，初始压强为3x104Pa，功率9kw，蒸发速率为1埃/s，镀膜100s后停止，在掩模板缝隙处的衬底表面生长了10nm的Au网格薄膜；
(8)在甲苯溶液中取出胶体掩模板，用丙酮、酒精除去残留在该电极上的甲苯，并用氮气吹干，即得到同时具有双周期的Ag、Au网格透明电极。
采用实施例一中测定方法对实施例三制得的超薄金属网格透明电极进行透光率和方阻的测定，得到该透明电极的透光率为78％，方阻为5Ω/sq，该透明电极的形貌图如图3d所示。
以上仅是本发明的特征实施范例，对本发明保护范围不构成任何限制。凡采用同等交换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于超薄金属网格的透明电极，其特征在于：该透明电极包括经表面修饰过的柔性透明衬底，所述柔性透明衬底经表面修饰的一面沉积有厚度为1～10nm的金属网格层。
2.根据权利要求1所述的基于超薄金属网格的透明电极，其特征在于：所述透明电极的透光率为50～96％。
3.根据权利要求1所述的基于超薄金属网格的透明电极，其特征在于：所述金属网格层包括由银、金、铂、铝、铜、钛、锡、铁、镍、钴、锌、铟中的任意1种或2种以上的合金形成的层。
4.一种制备权利要求1-3任一所述的基于超薄金属网格的透明电极的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)对柔性透明衬底进行表面修饰；
(2)在柔性透明衬底表面利用光刻或胶体印刷形成掩模板；
(3)在掩模板间隙沉积1～10nm厚度的金属层；
(4)除去掩模板，即得基于超薄金属网格的透明电极。
5.根据权利要求4所述的一种基于超薄金属网格的透明电极的制备方法，其特征在于：还包括在所述步骤(1)前对柔性透明衬底进行紫外线处理。
6.根据权利要求4所述的一种基于超薄金属网格的透明电极的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中表面修饰为在柔性透明衬底表面嫁接一层胺基。
7.根据权利要求4所述的一种基于超薄金属网格的透明电极的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中采用自组装聚苯乙烯胶体晶体作为掩模板。
8.根据权利要求4所述的一种基于超薄金属网格的透明电极的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中采用镀膜技术在掩模板间隙沉积金属层。
9.根据权利要求8所述的一种基于超薄金属网格的透明电极的制备方法，其特征在于：采用电子束蒸发的方法在掩模板间隙沉积金属层，蒸发速率为0.1～10埃/s，初始压强为1～100kPa。
10.根据权利要求4所述的一种基于超薄金属网格的透明电极的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的掩模板用有机溶剂甲苯除去，然后用丙酮、酒精除去残留在该透明电极上的甲苯，并用氮气吹干，即得基于超薄金属网格的透明电极。
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