未来的电子、光电、能源等领域迫切需要大面积柔性透明导电薄膜(TCF)。而在现代技术中广泛应用的氧化铟锡(ITO)TCF,由于铟是不可再生资源且价格昂贵,以及ITO固有的脆性,难以满足科技发展(尤其是新一代柔性电子器件)的需求。目前,已开发出碳纳米薄膜、金属纳米线、导电高分子等替代ITO的透明导电材料。
其中,碳纳米薄膜被认为是最有潜力的候选材料之一,因其具有优异的电学和光学特性,柔性和出色的稳定性,以及未来军事应用和航空航天领域亟需的轻质、抗辐照以及超耐疲劳等特性。然而,实现柔性透明导电薄膜广泛应用的前提不仅要求其克服透光率和导电性之间的相互制约,而且还须能够大面积甚至规模化制备。这是多年来一直困扰碳纳米材料领域乃至TCF领域的丞待解决的一个难题。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心先进材料与结构分析实验室“纳米材料与介观物理”研究组(A05组),长期致力于低维碳纳米材料和纳米结构的制备、物性与应用基础研究逾30载,取得了一系列创新成果。
在研发出一种吹胀气溶胶法连续直接制备出自支撑透明导电碳纳米管薄膜(CNT TCF)的基础上,最近,针对上述挑战性难题,该课题组博士生岳盈,在周维亚研究员指导下,基于这种CNT TCF,提出了碳纳米管网络重组(CNNR)策略,设计并研发出一种创新性的刻面驱动CNNR(FD-CNNR)技术,实现了大面积制备和无损转移,为解决大面积柔性TCF“卡脖子”问题提供了一个有效方案。
该工作基于FD-CNNR技术的独特机制,首次在单壁碳纳米管(SWNT)和Cu-O重构之间引入一种相互作用,使SWNT网络重组为更高效的导电路径。
利用FD-CNNR技术,设计并制备出A3尺寸甚至米级长度的自支撑重组碳纳米透明导电薄膜(RNC-TCF),包括重组SWNT(RSWNT)薄膜和石墨烯与重组SWNT(G-RSWNT)复合薄膜,后者的面积是现有该种自支撑复合薄膜的1200多倍,并且使这些轻质薄膜表现出优异的柔韧性,具有协同增强的高力学强度、出色的透光率和导电率以及显著的FOM值。
所制备的大面积RNC-TCF能够在水面自支撑,并能无损转移至其它目标基底上而不受污染。基于大面积G-RSWNT TCF结合液晶层,制作了A4尺寸的新型柔性智能窗,具有快速加热、可控调光和除雾等多功能。FD-CNNR技术不但可以扩展到大规模制造TCF,而且可为TCF和其它功能薄膜的设计提供新的思路。
该工作弥补了大面积石墨烯-碳纳米管复合薄膜领域研究的短板,有望推动大面积、柔性、自支撑、轻质、透明导电碳纳米薄膜的规模化制备和其在未来的柔性电子、光电器件、光学工程、人工智能、现代建筑、交通运输甚至航空航天等领域的应用。