【摘要】：近年來,柔性可拉伸光電器件因輕薄、便攜、可彎曲、共形性好、耐用性強等優(yōu)勢,受到了科研界及產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。電極作為光電器件基本組成單元,對器件性能有巨大的影響。目前,光電領(lǐng)域采用的電極多是單晶半導(dǎo)體硅、印刷電路板(PCB)及銦錫氧化物(ITO)透明電極。這些電極質(zhì)地脆、柔性差、制備工藝復(fù)雜、成本高,無法滿足柔性可拉伸光電器件的發(fā)展需求。本論文致力于開發(fā)新型電極材料及探索新型制備工藝,實現(xiàn)低成本大面積制備高性能柔性電路/電極,以取代傳統(tǒng)PCB,特別是ITO透明電極,從而適應(yīng)并推動柔性光電技術(shù)的發(fā)展。研究內(nèi)容主要包括電極材料合成、墨水配制、電極制備、印刷工藝優(yōu)化、性能表征及器件應(yīng)用。1本工作首先創(chuàng)立了低成本、大面積、高質(zhì)量噴墨印刷銀電電路的方法。系統(tǒng)優(yōu)化了噴墨打印的工藝參數(shù),建立了通用的基底修飾與處理技術(shù),成功將打印的銀線線寬降至初始值的1/3,顯著提高了噴墨打印的分辨率。利用創(chuàng)建的工藝方法,在不同基底上打印了大面積銀電路,其形貌精致、電導(dǎo)率高、柔性優(yōu)異。該方法在簡便、低成本、大面積制備柔性電路并取代傳統(tǒng)PCB以適應(yīng)柔性電子技術(shù)發(fā)展方面具有廣闊的應(yīng)用前景。2率先建立了多層旋涂或印刷制備透明電極的技術(shù)方案,創(chuàng)新性提出墨水電導(dǎo)率及流變性調(diào)控機制,成功制備了綜合性能良好的PEDOT:PSS柔性透明電極。鑒于原始PEDOT:PSS電導(dǎo)率較低,不適于噴墨印刷,我們通過高沸點溶劑的微量調(diào)控,將PEDOT:PSS的電導(dǎo)率提高2~3個數(shù)量級;通過摻雜表面活性劑,調(diào)節(jié)了PEDOT:PSS的黏度及表面張力,提高了其對基底的浸潤性,有利于后續(xù)PEDOT:PSS的多層旋涂成膜及噴墨印刷;通過層數(shù)控制,優(yōu)化了PEDOT:PSS電極的光電性質(zhì)(Rs:36Ωsq~(-1),T:82%)及電化學性能(4.72 mF cm~(-2)),該電極亦表現(xiàn)良好的力學柔性,在取代ITO電極應(yīng)用于柔性可穿戴電子方面具有巨大潛力。我們利用獲得的PEDOT:PSS透明電極制備了柔性透明全固態(tài)超電容,該電容器表現(xiàn)出良好的電化學性能,優(yōu)異的力學柔性及較高的透明度。3提出了復(fù)合電極制作思路,進一步提升了PEDOT:PSS的光電性能,全印刷了PEDOT:PSS/銀網(wǎng)格復(fù)合電極。復(fù)合電極可以克服單一材料的缺陷,協(xié)同發(fā)揮二者的優(yōu)勢,其綜合性能較單一材料進一步提升,不僅具有優(yōu)異的光電性能(Rs:12Ωsq~(-1),T:89%),出色的力學柔性,較強的抗氧化能力,而且具有良好的電化學性能(7.36 mF cm~(-2))。我們利用該復(fù)合電極制備了柔性透明圖案化的固態(tài)超電容,該電容器具有良好的綜合性能。4開發(fā)了一種簡單、低成本、環(huán)保的多元醇方法,合成了高長徑比、高純度銀納米線。建立了預(yù)沉積并轉(zhuǎn)移兩步法制備電極技術(shù),將合成的銀納米線轉(zhuǎn)移并嵌入到PDMS基底表面,制備了具有優(yōu)異綜合性能的新型可拉伸透明AgNWs/PDMS電極。首先,通過調(diào)控原料摩爾比、控制晶種的量、優(yōu)化反應(yīng)溫度、調(diào)節(jié)原料滴速等,合成了高長徑比、高純度的銀納米線。隨后,將銀納米線轉(zhuǎn)移并掩埋到PDMS表層制備了可拉伸透明電極。通過調(diào)控轉(zhuǎn)印前銀納米線導(dǎo)電層的厚度,可以實現(xiàn)電極透光性與導(dǎo)電性的良好平衡。該透明電極不僅具有良好的光電性能,也表現(xiàn)較好的拉伸性,在可拉伸光電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【圖文】：

圖 1.1 柔性光電器件透明導(dǎo)電氧化物圖 1.2）不僅具有優(yōu)異的電導(dǎo)率而且在可見光范圍內(nèi)具有高的透光率，因廣泛的的透明電極。ITO 薄膜通常采用磁控濺射制備，由 In2O3按質(zhì)量比成。用Sn4+取代In3+增加了薄膜的電子濃度，因此ITO具有低的電阻率（<1導(dǎo)率（~10 Ω sq-1）。，ITO 具有優(yōu)越的光電性能，但是 ITO 也存在自身固有的缺陷。1）銦是不斷消耗，導(dǎo)致全球銦的供應(yīng)日趨緊張及 ITO 成本的逐漸升高。2）在 I取代，通常需要高的能量。因此想獲得高度結(jié)晶、高度導(dǎo)電的 ITO 往往需火溫度。然而，高溫退火不適于耐熱性差的塑料基底。低的基底溫度和高 Sn 摻雜劑的活性，導(dǎo)致在塑料基底上沉積的 ITO 的微觀結(jié)構(gòu)存在缺陷。

S 溶液旋涂到 ITO 表面后，即有 0.02 at.%的 In 擴散到 PEDOT:PSS 層，，繼擴散到 PEDOT:PSS 層的 In 原子濃度增大至 0.2 at.%。據(jù) Lee 課題組的酸性層的 OLED 器件中，當器件工作時，金屬原子穿透深度也會變長[3] 原子由于電遷移擴散至陰極，降低了器件的性能。為了解決 ITO 的不穩(wěn)表面上修飾一層自組裝的短鏈硅烷以阻止 ITO 與 PEDOT:PSS 之間的不層可以鈍化 ITO，從而抑制 PEDOT:PSS 對它的刻蝕以及 In 原子向有散的金屬原子充當載流子陷阱和激子淬滅劑，削弱了有機光電器件中及電致發(fā)光性質(zhì)[5-6]。4）ITO 質(zhì)地脆，其電導(dǎo)率隨著機械應(yīng)力的增大晶體在>1%機械應(yīng)變下即出現(xiàn)裂痕。隨著彎折程度或應(yīng)力的增大，起初伸，最終形成大的斷裂，導(dǎo)致 ITO 從塑料基底上脫落下來。ITO 復(fù)雜苛刻的生產(chǎn)工藝無法與柔性塑料基底兼容，其陶瓷脆性、日穩(wěn)定性均不適于未來柔性光電產(chǎn)品的發(fā)展。為了滿足柔性光電器件的新型的電極材料以取代 ITO。
【學位授予單位】：南京郵電大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN41

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本文編號：2617494