一种银纳米线与金属氧化物复合制备透明导电薄膜的方法
技术领域
本发明属于导电薄膜技术领域,涉及一种银纳米线与金属氧化物复合制备透明导电薄膜的方法。
背景技术
透明导电薄膜是许多光电设备的关键组成部分,如平板显示器、柔性传感器、抗静电材料、有机发光二极管和太阳能电池等。近年来,随着光电器件的市场需求不断扩大,透明导电薄膜的研究引起了人们的广泛关注,各种用于制备导电薄膜的材料也得到了深入的探究。众所周知,在这一方面应用最多的材料是铟掺杂二氧化锡(ITO),它作为一种高导电且具有高透过率的透明导电薄膜,占据着市场的最大份额。然而,铟作为ITO的主要原材料,其资源稀缺导致生产成本上升,且ITO的制备周期长、制备工艺繁琐、脆性较大,满足不了在柔性电子产品方面的要求。因此,我们需要寻找一些ITO的替代物,以满足更高性能的电子产品的需求。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题,提供一种银纳米线与金属氧化物复合制备透明导电薄膜的方法。其中银纳米线网络的电阻率小,透明度高,制造过程简便,且生产成本低,是替代ITO的最佳选择。同时,本发明将银纳米线与金属氧化物进行复合来解决银纳米线薄膜与基底粘接性能差、热稳定性差和易氧化等问题。
为达到上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种银纳米线与金属氧化物复合制备透明导电薄膜的方法,先将银纳米线-乙醇分散溶液在玻璃基底上进行成膜得到银纳米线薄膜,再在银纳米线薄膜上旋涂金属氧化物前体溶液,然后在200 ℃温度条件下退火4~6 min后制备得到银纳米线与金属氧化物复合的透明导电薄膜;
所述银纳米线-乙醇分散溶液是将银纳米线分散在乙醇中得到;
所述银纳米线是将硝酸银-乙二醇溶液加入至混合溶液中,加热至110~180 ℃并反应2~12 h后冷却至室温,收集沉淀物得到;
混合溶液是将聚乙烯吡咯烷酮-乙二醇溶液和有机胺盐酸盐-乙二醇溶液混合均匀得到;
聚乙烯吡咯烷酮-乙二醇溶液、硝酸银-乙二醇溶液和有机胺盐酸盐-乙二醇溶液是分别将聚乙烯吡咯烷酮、硝酸银和有机胺盐酸盐溶于乙二醇中得到;
所述银纳米线直径尺寸主要在100~150nm,长度大于80μm;
银纳米线与金属氧化物复合的透明导电薄膜的方块电阻为3~17ohm/sq,透过率大于80%,与ITO相媲美。
作为优选的技术方案:
如上所述的方法,所述成膜采用喷涂法,成膜工序中喷枪与玻璃基底的距离为8.0~10 cm,喷枪压力设置为100~150 kPa,玻璃基底置于加热台上,加热台温度设置为200~250℃。喷枪与玻璃基底的距离、喷枪压力是调节银纳米线薄膜的方块电阻与透过率的,加热台温度为200~250℃时,在喷涂过程中乙醇挥发速率快,易于快速成膜。
如上所述的方法,旋涂时玻璃基底的转速为2500 ~2800rpm,旋涂时间为10 ~15s。
如上所述的方法,金属氧化物前体溶液的制备方法为:向1.5 mmol的金属醋酸盐中加入0.5 mL正丁酸、0.5 mL正丁胺和10 mL乙醇的混合液,加热至80~100℃后采用磁力搅拌方式搅拌至金属醋酸盐完全溶解,冷却至室温,制得金属氧化物前体溶液。
如上所述的方法,金属醋酸盐为醋酸锌、醋酸镧、醋酸钇、醋酸铈或醋酸锆。镧、钇、铈是稀土元素,成本低。
如上所述方法,银纳米线的具体制备步骤如下:
(1)分别将聚乙烯吡咯烷酮、硝酸银和有机胺盐酸盐溶于乙二醇中,得到聚乙烯吡咯烷酮-乙二醇溶液、硝酸银-乙二醇溶液和有机胺盐酸盐-乙二醇溶液;
(2)将聚乙烯吡咯烷酮-乙二醇溶液和有机胺盐酸盐-乙二醇溶液倒入反应瓶中,搅拌混合均匀得到混合溶液;
(3)将温度为40 ℃的硝酸银-乙二醇溶液加入步骤(2)的反应瓶中,搅拌均匀;
(4)将反应瓶中的溶液倒入反应釜中,并放入烘箱中于110~180o C加热反应2~12h,冷却至室温,收集沉淀物,即得到银纳米线。
如上所述的方法,步骤(1)中硝酸银-乙二醇溶液是将硝酸银溶解在乙二醇中并通过超声混合均匀得到;聚乙烯吡咯烷酮-乙二醇溶液是在100 ℃加热搅拌条件下将聚乙烯吡咯烷酮溶解在乙二醇中得到;有机胺盐酸盐-乙二醇溶液是将有机胺盐酸盐溶解在乙二醇中并通过超声混合均匀得到;
有机胺盐酸盐是指主链碳原子数为4~18的长链有机胺盐酸盐;
有机胺盐酸盐与硝酸银的摩尔比例为0.0001~0.1:1;
聚乙烯吡咯烷酮与硝酸银的摩尔比例范围为0.1:1~1:0.1。
添加的各原料之间的比例若超出上述范围会导致形成的产物形貌不均一,可能是银纳米棒或纳米颗粒,或者银线直径较大,长度较短等。
如上所述的方法,有机胺盐酸盐为辛胺盐酸盐。
如上所述的方法,聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为360000,与银晶种的结合能力强,对{100}晶面的吸附能力好,吸附在银种子{100}面的PVP分子多,PVP的包覆度提高,使制备的银线长度长,直径小。
如上所述的方法,步骤(4)中的反应釜为高压釜,反应釜的压力为1.1~25个大气压,反应釜内衬有聚四氟乙烯。密闭的空间给银纳米线生长提供一个稳定的环境,且高温高压下促进了银纳米线的生长。
本发明的原理如下:
本发明在多元醇高温下还原制备银纳米线的过程中,以硝酸银作为银源,乙二醇作为溶剂以及还原剂,PVP作为结构导向剂,有机胺盐酸盐中的氯离子和有机胺配体分子共同作为成核控制剂。当硝酸银被乙二醇还原成银原子后,由于PVP中2-吡咯烷酮(C4H7NO)n中的氧原子存在过剩电子,能够与银原子配位,优先结合于银纳米线的(100)晶面,进行选择性包覆,使得被还原的银原子优先沉积于(111)晶面,促进了银纳米线的生成。特别地,本发明还加入长链有机胺盐酸盐,该有机胺盐酸盐中的氯离子在合成中的作用为:1、溶液中的银离子与氯离子结合形成AgCl胶体,可有效控制还原产生的银原子浓度;2、氯化银晶种具有与五重孪晶相似的双十面体结构,并在反应中逐渐演变为五重孪晶晶种,大大提高了银纳米线的合成效率,起到了晶种自催化的作用;3、随着溶液中银离子的含量减少,难溶的氯化银不断地释放出银离子,形成一个动态平衡;4、氯离子可以起到静电稳定作用,控制晶粒的大小。所以,有机胺盐酸盐作为成核控制剂可以在银的成核阶段控制银晶种的尺寸,最后获得长度较长、直径较小的银纳米线。与传统使用氯化钠和三氯化铁等无机氯化物作为成核控制剂相比,本发明采用含有氯离子和长链有机胺的有机胺盐酸盐作为银纳米线的成核与生长抑制剂,不仅氯离子可以与银离子络合,抑制Ag纳米线晶种的形成,减少纳米线晶种的成核数量,而且氯离子通过与银纳米线表面配位包覆,还可以减缓纳米线的生长速度,进而获得高长径比的银纳米线;而且有机胺盐酸盐除了氯离子的作用外,长链的有机胺同样可以与Ag离子以及与Ag纳米线表面配位络合,与氯离子一起协同降低Ag纳米线成核与生长的速度,进而可以制备出长径比更高的银纳米线。
银纳米线的长径比与透明导电薄膜的性能有很大联系,银线长度长、直径小,制备的薄膜方块电阻小且透过率高,所以本发明合成出来的银纳米线有利于制备高质量透明导电薄膜。
有益效果
(1)本发明的一种银纳米线与金属氧化物复合制备透明导电薄膜的方法,通过调节有机胺盐酸盐的浓度、PVP的分子量、硝酸银溶液的温度与体积、成核控制剂的种类、反应温度,制备得到了银纳米线的直径尺寸主要在100~150 nm,长度大于80 μm且无杂质颗粒的高质量银纳米线;
(2)本发明的一种银纳米线与金属氧化物复合制备透明导电薄膜的方法,利用银纳米线与金属氧化物复合制备得到的透明导电薄膜,导电性好、透过率高,热稳定性、化学稳定性、耐酸性及环境稳定性好。
附图说明
图1是实施例1得到的银纳米线的扫描电子显微图(SEM);
图2是实施例1得到的银纳米线的X射线衍射图(XRD);
图3是实施例1得到的银纳米线-乙醇溶液紫外可见吸收光谱图;
图4为不同成核控制剂合成银纳米线的SEM照片:(a)NaCl;(b)CuCl2;(c)FeCl3;图(d)、(e)、(f)分别为图(a)、(b)、(c)更高倍率下的SEM照片;
图5为银纳米线与不同金属氧化物复合的透明导电薄膜在加热10 min时,方块电阻随温度的变化图;
图6为银纳米线与不同金属氧化物复合的透明导电薄膜在275°C下加热60 min后的方块电阻的变化率(ΔR/R0);
图7为银纳米线与各种金属氧化物复合的透明导电薄膜在水中浸泡时ΔR/R0随时间的变化;
图8为裸银纳米线以及银纳米线与各种金属氧化物复合的透明导电薄膜在乙醇中浸泡时ΔR/R0随时间的变化;
图9为裸银纳米线以及银纳米线与各种金属氧化物复合的透明导电薄膜在1% HCl环境下ΔR/R0随时间的变化;
图10为银纳米线与各种金属氧化物复合的透明导电薄膜在高温高湿环境下方块电阻随时间的变化。
实施方式
下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的透过率和方块电阻测试方法如下:
1、本发明中使用上海元析仪器有限公司的型号为UV 5200的紫外-可见-近红外分光光度计对所制备的透明导电薄膜进行光学透过率测试,选择的光波范围为400-1000 nm。
测试之前需要扫基线,以及参数的设定。本发明使用钠钙玻璃透明衬底做扫描基线,消除掉衬底对透明导电膜的影响,模式选择透过模式,采样间隔为1nm,然后测试薄膜的透过率。
2、本发明中使用Keithley公司的2400 source meter型号四探针测试台对银纳米线电极的电学性能进行测试。使用四探针测试台可以测得较为精确的薄层电阻(方块电阻)RS,它在原有的两探针电阻测试仪的基础上,通过改良来消除探针与样品间的接触电阻从而提高测量的准确性。测量时将针尖压在薄膜样品的表面上,由薄膜方块电阻表达式可以计算得出:RS=R0×4.25(R0为四探针显示的数字)。
本发明中各实施例中所测得的透过率和方块电阻数据为平均值。
实施例1
一种用有机胺盐酸盐辅助制备高长径比银纳米线的方法,包括如下步骤:
(1)将硝酸银溶解在乙二醇中并在超声的条件下混合均匀得到浓度为0.2 M/L的硝酸银-乙二醇溶液;
在100 ℃加热且搅拌速率为800 rmp的搅拌条件下将重均分子量为360000的聚乙烯吡咯烷酮溶解在乙二醇中得到浓度为0.09 M/L的聚乙烯吡咯烷酮-乙二醇溶液;
将辛胺盐酸盐溶解在乙二醇中并在超声的条件下混合均匀得到浓度为0.0025 M/L的辛胺盐酸盐-乙二醇溶液;
(2)将体积比为20:1的聚乙烯吡咯烷酮-乙二醇溶液和辛胺盐酸盐-乙二醇溶液倒入反应瓶中,搅拌混合均匀得到混合溶液;
(3)将温度为40 ℃的硝酸银-乙醇溶液按照硝酸银-乙二醇溶液与步骤(2)中混合溶液的体积比为10:42的比例加入步骤(2)的反应瓶中,搅拌均匀;
(4)将反应瓶中的溶液倒入内衬为聚四氟乙烯的高压釜中,并放入烘箱中于115oC加热反应11h,冷却至室温,收集沉淀物,即得到高长径比的银纳米线。
对本发明实施例1所得产品进行检测,其结果如图1~3所示,其中:
图1是银纳米线的扫描电子显微图(SEM);可以看出合成的银纳米线在横向上具有纳米尺寸,在纵向上具有微米尺寸,银纳米线直径尺寸在100~150 nm,长度大于80 μm,银线形貌均一、表面光滑、长径比较大且为产物中没有其他颗粒或块状杂质。
图2是实施例1得到的银纳米线的X射线衍射图(XRD);从图中可以看出,有五处明显的衍射峰,在38.1°、44.2°、65.3°、77.5°、81.6°衍射角处有五个明显的尖锐的衍射峰,分别对应面心立方银的五个晶面{111}、{200}、{220}、{311}、{222}。此外,从图中可以明显的看出,样品的{111}面的峰位强度远大于其他峰位,说明PVP钝化了银线的{100}面,而沿着{111}晶面快速的生长,与得到的银纳米线产物是一致的。
图3是实施例1得到的银纳米线-乙醇溶液的紫外可见吸收光谱图;从吸收光谱中可以看出,样品分别在354 nm有一个较弱的小肩峰,并且在391 nm处有明显的主吸收峰。波长为354 nm处的尖峰是由于纵向等离子共振引起的,而391 nm处的较宽的吸收峰与银纳米线的横向等离子体共振有关。样品在420 nm左右没有明显的吸收峰,说明产物比较纯净,不存在颗粒或纳米棒。
对比例1
一种制备银纳米线的方法,基本同实施例1,不同之处仅在于,成核控制剂不是有机胺盐酸盐,而是无机盐FeCl3。
如图4(c)和4(f)所示,制得的银纳米线的直径分布为236.75 nm。
与实施例1相比,对比例1采用传统的无机盐氯化物三氯化铁辅助制备的银纳米线的直径更大,长径比更低,并且有少量银纳米颗粒副产物生成。
对比例2
一种制备银纳米线的方法,基本同实施例1,不同之处仅在于,成核控制剂不是有机胺盐酸盐,而是无机盐NaCl。
如图4(a)和4(d)所示,制得的银纳米线的直径分布为98.75 nm。
与实施例1相比,对比例2采用无机盐NaCl作为成核控制剂制备的Ag纳米线,根据SEM观察,制备的银纳米线长度较短,长径比较大,并且有少量银纳米颗粒副产物生成。
对比例3
一种制备银纳米线的方法,基本同实施例1,不同之处仅在于,成核控制剂不是有机盐辛胺盐酸盐,而是无机盐CuCl2。
如图4(b)和4(e)所示,制得的银纳米线的直径分布为172.5 nm。
与实施例1相比,对比例3采用无机盐二氯化铜作为成核抑制剂制备的银纳米线,有许多银纳米颗粒生成,仅有非常少的银纳米线生成。
实施例2
一种银纳米线与金属氧化物复合制备透明导电薄膜的制备方法,具体步骤如下:
(1)将银纳米线-乙醇分散溶液在玻璃基底上进行成膜得到银纳米线薄膜;其中,银纳米线-乙醇分散溶液是按照体积比为1:10,将实施例1制得的银纳米线分散在乙醇中得到(1mL银纳米线原溶液,洗涤完加10mL乙醇);成膜采用喷涂法,成膜工序中喷枪与玻璃基底的距离为8 cm,喷枪压力设置为100 kPa,喷涂时间为25秒,玻璃基底置于加热台上,加热台温度设置为250℃;
(2)金属氧化物前体溶液的制备;
向1.5 mmol的金属醋酸盐(醋酸镧)中加入0.5 mL正丁酸、0.5 mL正丁胺和10 mL乙醇的混合液,加热至80℃后采用磁力搅拌方式搅拌至金属醋酸盐完全溶解,冷却至24℃,制得金属氧化物前体溶液;
(3)在步骤(1)制得的银纳米线薄膜上旋涂步骤(2)制得的金属氧化物前体溶液,然后在200℃温度条件下退火4min后制备得到银纳米线与金属氧化物复合的透明导电薄膜;
旋涂时玻璃基底的转速为2600rpm,旋涂时间为14s。
制得的透明导电薄膜的方块电阻为16.09ohm/sq,透过率为83.32%。
实施例3
一种银纳米线与金属氧化物复合制备透明导电薄膜的制备方法,具体步骤如下:
(1)将银纳米线-乙醇分散溶液在玻璃基底上进行成膜得到银纳米线薄膜;其中,银纳米线-乙醇分散溶液是按照体积比为1:10(1mL银纳米线原溶液,洗涤完加10mL乙醇),将实施例1制得的银纳米线分散在乙醇中得到;成膜采用喷涂法,成膜工序中喷枪与玻璃基底的距离为9 cm,喷枪压力设置为120 kPa,喷涂时间为25秒,玻璃基底置于加热台上,加热台温度设置为240℃;
(2)金属氧化物前体溶液的制备;
向1.5 mmol的金属醋酸盐(醋酸钇)中加入0.5 mL正丁酸、0.5 mL正丁胺和10 mL乙醇的混合液,加热至90℃后采用磁力搅拌方式搅拌至金属醋酸盐完全溶解,冷却至24℃,制得金属氧化物前体溶液;
(3)在步骤(1)制得的银纳米线薄膜上旋涂步骤(2)制得的金属氧化物前体溶液,然后在200℃温度条件下退火5min后制备得到银纳米线与金属氧化物复合的透明导电薄膜;
旋涂时玻璃基底的转速为2700rpm,旋涂时间为13s。
制得的透明导电薄膜的方块电阻为7.93ohm/sq,透过率为82.23%。
实施例4
一种银纳米线与金属氧化物复合制备透明导电薄膜的制备方法,具体步骤如下:
(1)将银纳米线-乙醇分散溶液在玻璃基底上进行成膜得到银纳米线薄膜;其中,银纳米线-乙醇分散溶液是按照体积比为1:10,将实施例1制得的银纳米线分散在乙醇中得到(1mL银纳米线原溶液,洗涤完加10mL乙醇);成膜采用喷涂法,成膜工序中喷枪与玻璃基底的距离为9 cm,喷枪压力设置为100 kPa,喷涂时间为20秒,玻璃基底置于加热台上,加热台温度设置为250℃;
(2)金属氧化物前体溶液的制备;
向1.5 mmol的金属醋酸盐(醋酸铈)中加入0.5 mL正丁酸、0.5 mL正丁胺和10 mL乙醇的混合液,加热至100℃后采用磁力搅拌方式搅拌至金属醋酸盐完全溶解,冷却至25℃,制得金属氧化物前体溶液;
(3)在步骤(1)制得的银纳米线薄膜上旋涂步骤(2)制得的金属氧化物前体溶液,然后在200℃温度条件下退火5min后制备得到银纳米线与金属氧化物复合的透明导电薄膜;
旋涂时玻璃基底的转速为2750rpm,旋涂时间为12s。
制得的透明导电薄膜的方块电阻为16.16ohm/sq,透过率为84.43%。
实施例5
一种银纳米线与金属氧化物复合制备透明导电薄膜的制备方法,具体步骤如下:
(1)将银纳米线-乙醇分散溶液在玻璃基底上进行成膜得到银纳米线薄膜;其中,银纳米线-乙醇分散溶液是按照体积比为1:10,将实施例1制得的银纳米线分散在乙醇中得到(1mL银纳米线原溶液,洗涤完加10mL乙醇);成膜采用喷涂法,成膜工序中喷枪与玻璃基底的距离为8 cm,喷枪压力设置为150 kPa,喷涂时间为25秒,玻璃基底置于加热台上,加热台温度设置为230℃;
(2)金属氧化物前体溶液的制备;
向1.5 mmol的金属醋酸盐(醋酸锆)中加入0.5 mL正丁酸、0.5 mL正丁胺和10 mL乙醇的混合液,加热至90℃后采用磁力搅拌方式搅拌至金属醋酸盐完全溶解,冷却至26℃,制得金属氧化物前体溶液;
(3)在步骤(1)制得的银纳米线薄膜上旋涂步骤(2)制得的金属氧化物前体溶液,然后在200℃温度条件下退火6min后制备得到银纳米线与金属氧化物复合的透明导电薄膜;
旋涂时玻璃基底的转速为2800rpm,旋涂时间为10s。
制得的透明导电薄膜的方块电阻为3.98ohm/sq,透过率为84.34%。
分别对本发明实施例银纳米线与金属氧化物复合制备得到的透明导电薄膜进行热稳定性、化学稳定性和耐酸性及环境稳定性测试。从图5和图6可以看出,银纳米线与金属氧化物复合的透明导电薄膜具有较好的热稳定性,从图7和图8可以看出,银纳米线与金属氧化物复合的透明导电薄膜具有较好的化学稳定性,从图9和图10可以看出,银纳米线与金属氧化物复合的透明导电薄膜具有较好的耐酸性及环境稳定性好。
综上所述,本发明提供的银纳米线与金属氧化物复合的透明导电薄膜的制备方法过程中,采用辛胺盐酸盐代替传统的无机盐,制备得到的银纳米线形貌均一,杂质较少,长径比较大。制备得到的可溶性金属氧化物前体溶液透明性性好并且非常稳定,可常温放置较长时间而不发生沉淀或分相,大大提高了银纳米线复合薄膜的导电性与透明率,制备方法简单高效、生产成本低,制备的银纳米线与金属氧化物复合的透明导电薄膜与基底的粘接性能较强,且具有良好的导电性、较好的透过率及热稳定性和抗氧化能力。
虽然,前文已经用一般性说明、具体实施方式及试验,对本发明做了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之进行修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明的后,将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化,这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。应当理解的是,本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构,并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。