金属网格柔性透明导电薄膜及其制备方法和应用

文档序号:37041907发布日期:2024-02-20 20:36阅读:16来源:国知局
金属网格柔性透明导电薄膜及其制备方法和应用

本发明属于金属薄膜,具体而言,涉及一种金属网格柔性透明导电薄膜及其制备方法和应用。


背景技术:

1、透明电极(te)在许多现代设备中扮演着关键的角色,包括太阳能电池、发光二极管、触摸屏、可穿戴电子设备和透明加热器等。长期以来,透明电极领域一直由透明导电氧化物(tco)主导。在20世纪50年代早期,人们报道了一种高光学透明度的宽带隙半导体材料,例如sno2和in2o3,这些半导体材料可以通过杂质掺杂的方法增强其导电性。经过60多年的广泛研究,氧化铟锡(ito)薄膜作为一种具有优异光学和电子性能的代表透明电极材料应运而生,并且已经被广泛商业化使用。然而,近年来人们对柔性电子设备的灵活性、拉伸性和可折叠性的需求越来越高,ito不仅在生产上受限于铟资源的严重短缺,而且其本身机械柔韧性较差,在应变或弯曲时容易出现裂纹。目前市场上虽然有ito/pet基板可以应用于柔性光电子器件,但由于ito的脆性,在柔性基板上ito的弯曲应变耐受性和循环抗疲劳性不足,使得柔性ito/pet基板难以在可拉伸、可折叠或可弯曲的光电子器件中得到实际应用。

2、因此,寻求具有更高性能和附加性能的新材料成为当前最热门的研究之一。新材料需要具备更好的灵活性和稳定性,更丰富和可用的原材料以及更低的加工成本。基于这一目标,一些新兴的透明导电材料作为传统ito的替代品出现,主要包括三类材料:i)碳纳米材料,如碳纳米管(cnts)或石墨烯;ii)导电聚合物(如pedot:pss);iii)金属纳米材料,如金属纳米薄膜、金属纳米线网络、金属网格等。这些材料已经得到广泛研究,并且被证明在克服ito的缺点方面具有很高的潜力。在所有替代ito的新兴材料中,金属纳米材料显示出比碳纳米材料(如石墨烯或碳纳米管等)更高的光学和电学性能。此外,由于金属纳米材料具有机械性能如柔韧性和拉伸性好、低成本、易于制造、灵活性和广泛的适用性等显著的附加优势,因此受到广泛关注。

3、在金属网格类纳米材料中,目前常用的制备金属网格的方法是基于光刻的技术,如光学光刻和纳米压印光刻。光刻技术可以精准地控制网格图案,但光学光刻技术的线宽较大,容易引起莫瑞干涉问题,限制了它在高分辨率智能手机、平板电脑等产品上的应用。另一种纳米压印光刻技术,虽然可以降低线宽,但需要同时使用电子束刻蚀或聚焦离子束刻蚀等技术,或者采用电子束蒸发技术,增加了制备时间和成本。

4、其他制备金属网格的方法如模板化电沉积和压印转移工艺。通过将金属网格嵌入高分子聚合物中,可以获得表面平滑度优异的高性能金属网格透明电极。然而,这种工艺通常涉及复杂的多重转移和剥离步骤,这可能导致在大规模制造时成本效益的降低,并且可能存在工艺可重复性和均匀性的问题。

5、随着ito在透明电极市场的使用率下降,金属网格和其他ito替代品的制备技术预计将继续增长。金属网格由于其微观结构的高度可调性,可以表现出比ito薄膜好的光学电学性能,且与其他金属材料(例如超薄金属薄膜)相比,金属网格可以单独优化光学透射率和导电性,能够实现光学和电学性能之间的最佳平衡。

6、然而,金属网格仍然面临一些挑战:1)透明度和导电性的相对权衡仍需在制备过程中用更简单的方式解决;2)制备工艺仍需改进,包括降低成本和提高图案精度。因此,如何解决上述问题并提高金属网格柔性透明导电薄膜的综合性能,扩大其应用,成为目前研究的热点问题。


技术实现思路

1、为了解决上述问题,本发明提供了一种金属网格柔性透明导电薄膜及其制备方法和应用,本发明的导电薄膜具有最佳的透明度和导电性能,特别适用于可拉伸、可折叠或可弯曲的光电子器件中。

2、具体的,本发明提供如下技术方案:

3、一种金属网格柔性透明导电薄膜,所述薄膜包括柔性衬底和溅射金属网格,所述金属网格在柔性衬底上形成各种所需的图案。

4、在本发明一个实施方式中,所述柔性衬底选自软质pet衬底、cpi衬底或柔性超薄玻璃。pet衬底可见光透过率高,耐弯折能力强,是一种性能优良的透明电极衬底材料。

5、在本发明一个实施方式中,所述金属网格为金属ag网格。研究发现,金属ag导电能力强,可以制备方阻极低的电极,并且其延展性高,适于制备高性能柔性网格电极。

6、在本发明一个实施方式中,所述金属网格在柔性衬底上形成金属方形网格、金属三角形网格、金属砖墙形网格、金属蜂窝状网格、金属圆形网格等不同的网格图案。不同几何形状的金属网格可以作为调控导电性-透明度平衡的重要因素。

7、在本发明一个实施方式中,所述金属网格的厚度为50nm~600nm。

8、示例性地,可以为50nm、60nm、70nm、80nm、90nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、500nm或者600nm。

9、在本发明一个实施方式中,所述金属网格的金属线宽为1μm~50μm,优选为5μm~30μm。

10、示例性地,1μm、5μm,10μm,15μm,20μm,25μm,30μm,35μm,40μm,45μm或者50μm。

11、在本发明一个实施方式中,所述金属网格的尺寸面积范围为2cm×2cm~20cm×20cm。

12、在本发明一个实施方式中,所述金属网格柔性透明导电薄膜的方阻为4~10ωsq-1。

13、在本发明一个实施方式中,所述金属网格在550nm处的光透过率达到90以上,具体地,可以达到92%以上,还具体地,可以达到93.5%以上。

14、在本发明一个实施方式中,金属网格柔性透明导电薄膜在550nm处的整体光透过率达到80%以上,具体地,可以达到82%以上。

15、根据本发明的另一方面,还提供了一种金属网格柔性透明导电薄膜的制备方法,包括以下步骤:

16、s1、制备聚合物模板,在所述聚合物模板中心切割出所需的镂空条纹图案;

17、s2、准备柔性衬底,紧贴在基板上,形成柔性衬底/基板组合,并将步骤s1中制备的聚合物模板固定在柔性衬底上,形成模板/衬底/基板组合;

18、s3、将所述模板/衬底/基板组合放入磁控溅射镀膜装置中,真空条件下通入稀有气体,调节功率,采用磁控溅射法将金属靶材溅射于柔性衬底上沉积,去除模板,得到所述金属网格柔性透明导电薄膜。

19、在本发明一个实施方式中,所述步骤s1中采用激光在聚合物模板中心切割出所需镂空条纹图案。

20、在本发明一个实施方式中,通过调整激光的切割参数以获得不同的聚合物模板图案,所述切割参数包括切割能量、切割间距和切割长度。

21、在本发明一个实施方式中,所述切割能量为8~20w,切割间距为100~500μm,切割长度为2~20cm。

22、在本发明一个实施方式中,所述步骤s2还包括:将柔性衬底依次用体积比为1:1丙酮和乙醇溶液、去离子水清洗,氮气吹干,将聚合物模板用高温胶带固定在柔性衬底上。

23、在本发明一个实施方式中,所述步骤s3中,将模板面对ag靶,真空抽至10-5~10-9torr,磁控溅射气体ar轰击靶材,功率为300~500w,沉积时间为沉积时间为30~900s,优选为90s~600s。

24、示例性地,30s、60s、90s、120s、180s、240s、300s、360s、420s、480s、540s、600s或900s。

25、优选地,ar的分压控制在60%~70%。

26、在本发明一个实施方式中,所述聚合物模板为聚酰亚胺薄片;所述聚合物模板的整体尺寸为4cm×4cm~24cm×24cm,厚度为30~90μm。

27、在本发明一个实施方式中,所述金属靶材为ag靶材、cu靶材、al靶材、au靶材中的至少一种。

28、在本发明一个实施方式中,所述聚合物模板的图案为平行镂空条纹图案,所述步骤s3中分别通过镀膜2、3或4次分别获得带有方形、三角形或者交叉金属网格图案的导电薄膜。

29、根据本发明的另一方面,还提供了所述金属网格柔性透明导电薄膜在柔性显示屏或柔性电子器件中的应用。

30、具体的,可以用于手机屏幕。

31、本发明通过设计和制备磁控溅射所需模板,并通过调整切割参数获得不同的模板内部图案;通过选择合适的衬底和溅射参数,通过控制溅射镀膜的时间可以精确调控金属网格层的厚度(例如控制在50nm~600nm),从而优化并达到最佳的薄膜透明度和导电性。

32、本发明的有益效果:

33、1)本发明采用磁控溅射法制备出一种由柔性衬底(pet)和金属网格构成的柔性透明导电薄膜,磁控溅射法可准确控制金属网格的微观图案以及薄膜的厚度,从而优化透明导电薄膜的导电性、光透过率及弯折性能。具体的,通过模板的设计(如设计为镂空的平行条纹)和磁控溅射法的有效配合,可以精准控制金属网格的微观图案的形状,如方形、三角形等,也可以精准控制金属网格的微观图案的尺寸,如线宽、大小和形态等。

34、例如,在方形金属网格中,光透过率(去除衬底的影响)可以近似地由金属线之间空间的百分比给出,例如可以通过下述公式定量:光透过率=(网格间距-线宽)2/网格间距2,并且可以通过修改网格微观结构的几何参数(线宽和线间距)来轻松调整。

35、电导率除了与线宽和线间距有关之外,还与金属线的高度(即金属网格厚度)有关。因此,通过调整金属网格的线宽、线间距和厚度,可以轻松优化导电性和光透过率之间的平衡。所述导电性可以通过方阻表征,方阻=(电阻率*网格间距)/(线高*线宽)。

36、2)本发明通过调整模板上镂空条纹的宽度和间距来调整金属网格的线宽和线间距,通过调整磁控溅射时间调整金属网格的厚度,通过调整磁控溅射次数得到不同形状和图案,从而制备出具有不同几何参数的金属网格,并得到了高光透过率、高导电性及抗弯折强的高质量金属网格柔性透明薄膜。该制备工艺简单、安全无毒,并且还可根据需要制备出各种尺寸的薄膜。此外,本发明的模板可通过激光切割制备,能够重复使用,简单高效且成本低廉。

37、3)本发明制备的柔性透明导电薄膜方阻为4~10ωsq-1,具有很强的导电性,金属网格的光透过率在90%以上(例如,ag金属网格的光透过率在550nm处达到93%以上);衬底材料是软质基材,最终制备出的金属网格导电薄膜能达到高于10万次的弯折次数,并且还能够保持较高的导电稳定性和可见光透过率,可作为一种性质优良的柔性透明电极材料,在柔性显示屏或柔性电子器件领域,例如手机屏幕等领域具有极高的应用前景。

当前第1页1 2 
网友询问留言 已有0条留言
  • 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞!
1