石墨烯透明导电薄膜:材料体系、制备方法及应用

日期:2018-11-15 / 人气: / 编辑:jutan / 来源:互联网

近年来,与人类生活密切相关的各种光电器件,如有机发光二极管(OLEDs)、有机太阳能电池(OSCs)、场效应晶体管(FETs)、智能窗及触控屏等等,其发展日新月异。这对光电器件中的重要组成部分透明电极提出了新的性能要求——柔性、可拉伸性、能量效率及生产经济性等。

目前,应用最广泛的透明电极材料是氧化铟锡(ITO),但是ITO的一些固有缺陷,如对稀有金属铟的需求、受限的制备条件以及在酸碱环境中的不稳定性等,限制了其进一步发展。为了满足光电器件发展的需求,研发新型的透明电极材料成了当务之急。

在众多新材料中(碳纳米管、金属纳米材料及导电聚合物等),石墨烯具有高导电性、高透光率、出色的柔韧性以及优异的化学及热稳定性。因此,基于石墨烯的透明导电薄膜在光电领域中具有极大的发展潜力。然而,在实际应用过程中由于缺陷、褶皱以及含氧基团的存在等原因,石墨烯类透明导电薄膜并不能充分发挥石墨烯应有的性能。

因此,针对石墨烯类透明导电薄膜的研究主要集中于在保持薄膜高柔韧性及稳定性的同时,提高薄膜的光电性能。 国家纳米科学中心智林杰团队长期致力于新型石墨烯类透明导电薄膜的制备及应用研究,针对此领域中关键的科学与技术问题,开展了系统深入的研究,取得了系列成果,特别是在基于石墨原材料的还原氧化石墨烯(rGO)类透明导电薄膜的制备及应用领域,做出了一系列原创性工作。

在rGO类透明导电薄膜制备方面,提出了多种绿色高效的规模化制备方法(Small,2012;Advanced Materials,2012;Journal of Materials Chemistry A,2014;Advanced Materials,2017;);针对石墨烯类透明导电薄膜的实际应用,提出并实现了一种新型的卷对卷规模化生产工艺(Advanced Materials,2017),并搭建了基于此工艺的中试线;在石墨烯复合材料类透明导电薄膜方面,发展了石墨烯/纳米碳复合材料透明导电薄膜(Journal of Nanoscience and Nanotechnology,2013)石墨烯/金属网复合膜(Carbon,2015)等新型复合结构。

在石墨烯类透明导电薄膜应用方面,基于这些新型的透明导电薄膜制备了柔性触摸屏(Advanced Materials,2012)、电致变色智能窗(Small,2012;Carbon,2015;Advanced Materials,2017)、染料敏化太阳能电池(Nano Letters,2008)及高性能透明电极(Journal of Materials Chemistry A,2014)等一系列性能出色的新型光电器件。

因在石墨烯类透明导电薄膜领域长期的工作积累,近期智林杰研究员团队受邀为Small Methods杂志撰写相关综述:“Graphene‐Based Transparent Conductive Films: Material Systems, Preparation and Applications”。该文章从石墨烯类透明导电薄膜的制备材料入手综述了此领域国内国际最新研究进展。文章首先系统地总结了此类薄膜的材料体系、制备方法以及在光电领域中的应用(图一),并比较了不同种类的石墨烯透明导电薄膜的性能(图二)和优缺点,并对此领域中存在的问题及相应的解决方法进行了讨论,对此类薄膜的发展前景进行了展望。

此综述于2018年10月15日在Small Methods杂志上在线发表(https://doi.org/10.1002/smtd.201800199)。论文的第一作者是国家纳米科学中心的马英杰助理研究员,通讯作者是智林杰研究员。