CN112509728A - 一种四氯金酸三水合物掺杂碳纳米管柔性透明导电薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四氯金酸三水合物掺杂碳纳米管柔性透明导电薄膜及其制备方法，主要步骤在于采用喷涂法将配好的碳纳米管溶液均匀地喷涂在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜基底上，依次通过硝酸后处理和四氯金酸三水合物p‑型掺杂的方法得到性能优异的柔性透明导电薄膜。其特征在于：(1)采用单壁碳纳米管为原料，以PET薄膜为基底，制备出高透光柔性透明导电薄膜；(2)使用四氯金酸三水合物溶液对柔性透明导电薄膜进行p‑型掺杂，有效降低柔性透明导电薄膜的面电阻；(3)该薄膜制备工艺简单、周期短，薄膜导电性高，可广泛应用于光电设备中。

Description

一种四氯金酸三水合物掺杂碳纳米管柔性透明导电薄膜及其 制备方法
技术领域
本发明涉及一种四氯金酸三水合物掺杂碳纳米管柔性透明导电薄膜及其制备方法，属于纳米材料、光电子器件、显示材料领域。
背景技术
由于电子设备的快速发展，对透明导电薄膜(TCFs)的需求变得越来越迫切。在过去的几十年中，许多导电纳米材料已经被研究用于TCFs，例如氧化铟锡(ITO)、碳纳米材料、金属纳米线、金属纳米粒子和导电聚合物等。其中，具有优异导电性的金属纳米线是银纳米线，但基于银纳米线的TCFs具有高表面粗糙度，稳定性差，易在空气中氧化和硫化，使其应用受到限制。到目前为止，工艺最成熟和最广泛使用的透明电极仍然是氧化铟锡(ITO)薄膜。然而，传统的ITO具有一些缺点，例如制备工艺复杂、具有脆性、铟资源稀少等。碳纳米管透明导电薄膜具有相对低的面电阻、高透光率和可弯曲性，因此有望取代相对昂贵且易碎的ITO薄膜。碳纳米管以其独特的结构，优异的机械性能、热力学和电学性质而引起了大量的研究。由于其自身的半导体特性，碳纳米管已被广泛应用于晶体管、逻辑器件、存储器件和光电器件。碳纳米管透明导电薄膜可用于柔性电致发光器件，碳纳米管也可作为空穴注入缓冲层引入ITO，实现高亮度有机发光二极管。
柔性的碳纳米管透明导电薄膜可通过直接生长、溶液沉积、喷涂和真空抽滤的方法制备。其中，喷涂是一种常用的制备方法，具有成本低、简单、易于实现大规模成膜和均匀成膜的优点。使用喷涂制备透明导电膜的一个重要问题是我们需要制备碳纳米管溶液。碳纳米管的比表面积大，并且在碳纳米管之间存在很强的范德华力，因此碳纳米管基本上以团聚体的形式缠结在一起。我们需要使用表面活性剂来分散碳纳米管，这会影响薄膜的导电性，因为表面活性剂固有的绝缘性质。因此，我们需要通过后处理去除表面活性剂，以提高透明导电膜的导电性。如今一种非常有效的处理方法是使用硝酸处理。
为了进一步降低碳纳米管透明导电薄膜的面电阻，可以对碳纳米管进行p-型掺杂，常用的掺杂剂有四氯金酸三水合物、二氯亚砜和四氟硼酸亚硝等。四氯金酸三水合物由于掺杂过程简单、效果显著而被作为碳纳米管的掺杂剂。四氯金酸根离子可被碳纳米管被吸附到表面，从碳纳米管中提取电子，降低带结构中的费米能级，从而提高碳纳米管中的空穴导电性，然后随机取向的金属碳纳米管和半导体碳纳米管连接处的肖特基势垒消失，薄膜的总导电率增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种四氯金酸三水合物掺杂碳纳米管柔性透明导电薄膜及其制备方法。
本发明的技术方案如下：主要步骤在于首先将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底薄膜用乙醇超声清洗然后烘干。按照分散剂与碳纳米管的质量比为1.0∶1.0～20.0∶1.0的比例配置碳纳米管(CNT)水分散液，采用喷涂法将配好的碳纳米管溶液均匀的喷涂在PET薄膜基底上，并通过硝酸(HNO3)(10mol/L～14mol/L)处理10min～60min除去碳纳米管透明导电薄膜中的分散剂。然后将得到的透明导电薄膜在四氯金酸三水合物的水溶液中(10mmol/L～40mmol/L)处理1min～60min中对碳纳米管进行p-型掺杂，随后将透明导电薄膜取出，利用旋涂机旋掉膜上多余的液体。将透明导电薄膜放置在加热板上在温度为40℃～150℃的范围内退火5min～60min，得到四氯金酸三水合物掺杂的碳纳米管柔性透明导电薄膜。此方法利用四氯金酸三水合物对碳纳米管柔性透明导电薄膜进行p-型掺杂，进一步降低了透明导电薄膜的面电阻，制备出了导电性能优异的柔性透明导电薄膜。
本发明的主要创新点如下：以碳纳米管为原料，通过分散剂以及超声法制备出均匀的分散液，喷涂法在PET基底上制备出透明导电薄膜，使用硝酸后处理除去膜中的分散剂，使用四氯金酸三水合物对碳纳米管进行p-掺杂，降低透明导电薄膜的面电阻。
本发明方法中制备碳纳米管分散液的方法如下：以纯度＞95wt％，外径1～2nm，长度为5～30μm的单壁碳纳米管为原料，十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，蒸馏水为溶剂。以十二烷基苯磺酸钠与碳纳米管的质量比为1.0∶1.0～20.0∶1.0进行称量，然后加入相应比例的蒸馏水，使得分散液的浓度为0.1mg/ml～2.0mg/ml，然后先水浴超声40min，再采用超声波粉碎机进行超声70min，再用离心机以8000r/min的速率离心20min，提取上清液，得到浓度大约0.1mg/ml～2.0mg/ml的碳纳米管溶液。
本发明方法中使用四氯金酸三水合物溶液对碳纳米管透明导电薄膜进行p-型掺杂的过程如下：将酸处理后的透明导电薄膜在四氯金酸三水合物的水溶液中(10mmol/L～40mmol/L)处理10min～60min，随后将透明导电薄膜取出，利用旋涂机旋掉膜上多余的液体。将透明导电薄膜放置在加热板上在温度为40℃～150℃的范围内退火5min～60min，得到四氯金酸三水合物掺杂的碳纳米管柔性透明导电薄膜。
本发明所用的试剂和材料：单壁碳纳米管、十二烷基苯磺酸钠、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、硝酸、四氯金酸三水合物、蒸馏水，乙醇等。
本发明中采用了冷场扫描电子显微镜(FE-SEM)来表征被四氯金酸三水合物处理前后的碳纳米管透明导电薄膜的形貌。
附图说明
图1为四氯金酸三水合物掺杂的透明导电薄膜制备示意图。
图2为四氯金酸三水合物掺杂之前碳纳米管透明导电薄膜的FE-SEM图像。
图3为四氯金酸三水合物掺杂之后碳纳米管透明导电薄膜的FE-SEM图像。
图4为四氯金酸三水合物处理前后碳纳米管柔性透明导电薄膜面电阻和透光率的关系图。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明作详细说明。
实例1：
将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底薄膜用乙醇超声清洗然后烘干。按照分散剂与碳纳米管的质量比为1.0∶1.0的比例配置碳纳米管(CNT)水分散液，采用喷涂法将配好的碳纳米管溶液均匀的喷涂在PET薄膜基底上，并通过硝酸(HNO3)(10mol/L)处理10min除去碳纳米管透明导电薄膜中的分散剂。然后将得到的透明导电薄膜在四氯金酸三水合物的水溶液中(10mmol/L)处理1min中对碳纳米管进行p-型掺杂，随后将透明导电薄膜取出，利用旋涂机旋掉膜上多余的液体，旋涂机的转速为1000rpm，旋涂时间为10s。将透明导电薄膜放置在加热板上在温度为40℃的范围内退火5min，得到四氯金酸三水合物掺杂的碳纳米管柔性透明导电薄膜。
实例2：
将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底薄膜用乙醇超声清洗然后烘干。按照分散剂与碳纳米管的质量比为20.0∶1.0的比例配置碳纳米管(CNT)水分散液，采用喷涂法将配好的碳纳米管溶液均匀的喷涂在PET薄膜基底上，并通过硝酸(HNO3)(14mol/L)处理60min除去碳纳米管透明导电薄膜中的分散剂。然后将得到的透明导电薄膜在四氯金酸三水合物的水溶液中(40mmol/L)处理60min中对碳纳米管进行p-型掺杂，随后将透明导电薄膜取出，利用旋涂机旋掉膜上多余的液体，旋涂机的转速为3000rpm，旋涂时间为300s。将透明导电薄膜放置在加热板上在温度为150℃的范围内退火60min，得到四氯金酸三水合物掺杂的碳纳米管柔性透明导电薄膜。

Claims (10)

1.一种四氯金酸三水合物掺杂碳纳米管柔性透明导电薄膜及其制备方法，主要步骤在于首先将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底薄膜用乙醇超声清洗然后烘干。按照分散剂与碳纳米管的一定质量比的比例配置碳纳米管(CNT)水分散液，采用喷涂法将配好的碳纳米管溶液均匀的喷涂在PET薄膜基底上，并通过一定浓度的硝酸(HNO3)处理一定时间除去碳纳米管透明导电薄膜中的分散剂。然后将得到的透明导电薄膜在一定浓度的四氯金酸三水合物的水溶液中处理一定时间对碳纳米管进行p-型掺杂，随后将透明导电薄膜取出，利用旋涂机旋掉膜上多余的液体。将透明导电薄膜放置在加热板上在一定温度的范围内退火一定时间，得到四氯金酸三水合物掺杂的碳纳米管柔性透明导电薄膜。此方法利用四氯金酸三水合物对碳纳米管柔性透明导电薄膜进行p-型掺杂，进一步降低了透明导电薄膜的面电阻，制备出了导电性能优异的柔性透明导电薄膜。该薄膜制备工艺简单，周期短，薄膜导电性高，在透光率为81％～95％时，面电阻为54Ω/sq～340Ω/sq，可广泛应用于光电子器件中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所采用的原料单壁碳纳米管的纯度＞95wt％，外径1～2nm，长度为5～30μm；四氯金酸三水合物的纯度＞99.99％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于采用超声波分散机制备碳纳米管分散液的条件：功率150～250W，时间5～80min。分散剂可选用十二烷基苯磺酸钠，聚乙烯吡咯烷酮，十二烷基硫酸钠，十六烷基三甲基溴化铵，分散剂与碳纳米管的质量比为1.0∶1.0～20.0∶1.0。
4.根据权利要求1所述的方法，配制的碳纳米管溶液浓度为0.1mg/ml-2.0mg/ml；四氯金酸溶液浓度为10mmol/L～40mmol/L；硝酸的浓度为10mol/L～14mol/L。
5.根据权利要求1所述的方法硝酸的处理时间为10min～60min；四氯金酸三水合物溶液的处理时间为1min～60min。
6.根据权利要求1所述的方法旋涂机的转速为1000rpm～3000rpm，旋涂时间为10s～300s。
7.根据权利要求1所述的方法透明导电薄膜退火的温度范围是40℃～150℃，退火时间为5min～60min。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于得到的透明导电薄膜的在透光率为81％～95％时，面电阻为54Ω/sq～340Ω/sq。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于四氯金酸三水合物溶液可以对透明导电薄膜上的碳纳米管进行p-型掺杂，并通过改变碳纳米管的电子结构显著降低显著降低碳纳米管之间的接触电阻，从而降低透明导电薄膜的面电阻，对透明导电薄膜采用四氯金酸三水合物溶液浸泡掺杂处理，过程简单。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于经过四氯金酸三水合物p-型掺杂后碳纳米管网络的表面和内部会出现被还原的金粒子。
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