Advanced Materials：静电纺丝及电镀技术制备自连接的铜纳米纤维导电膜

【背景简介】

发光二极管（LEDs）、有机LEDs、显示器、触摸屏、太阳能电池、智能窗等，当今这些已有的新兴设备都需要具有高透光率（T）和较低薄膜电阻（Rs）的透明导电电极（TCEs），但是上述两者是互不兼容。铟掺杂的锡氧化物（ITO），作为传统的机械性能稳定可靠的材料，在商业TCE的应用中占有着主导地位。然而，铟成本的上升及其供应量的减少，再加上ITO的刚性和脆性等问题，这都限制了它在低成本柔性器件上的使用，如可穿戴电子产品、柔性太阳能电池、可弯曲显示器和电子皮肤等。

随着科学技术的发展，研究者们提出了用纳米结构材料替代ITO，如碳纳米管（CNTs）、石墨、金属纳米纤维和导电聚合物等。其中，金属纳米线（NWs ）表现出巨大的潜力，如金属NWs膜在T≥90%时其Rs = 10Ωsq−1。然而，进一步提高其性能时却会受到NW交点处较高的结电阻的限制。实际上，对于所有一维渗流材料而言，它们都面临着结电阻这样一个巨大挑战，包括基于碳纳米管的材料。为了解决这一问题，研究人员中进行了一系列的研究。

【主要亮点】

Wu等人使用热蒸镀铜将铜纳米纤维的节点相互关联，通过金属纳米线第一个实现了在T>90%时可获得Rs<10Ωsq−1 [1]。Hsu等人通过将中尺度纳米纤维与纳米金属线相结合在T=92％时获得了Rs = 0.36Ωsq−1 [2]。然而，用于将纳米线与纳米纤维相连的热蒸镀法需要在高真空下进行，在低成本生产中是不可行的。高丽大学等多所大学的研究人员通过使用静电纺丝和电镀这两种超快过程制备出同时具有较低Rs及高T的TCEs，打破了上述中的限制。他们提出的可用于低成本生产TCEs的新方法制备所得的膜，除了具有前所未有的较低Rs（Rs = 0.42Ωsq−1）和较高T（T = 97%）性能之外 ，还具有卓越的机械灵活性和稳定性。这种TCEs在性能、强度上的大幅提高，成本上的降低都将为柔性显示器提供了一系列新的机遇。

【图文导读】

图一：CuEW-TCEs制备过程原理图

说明：
a）在铜框架沉积第一个电纺聚合物纳米纤维；
b）通过贵金属种子制备导电纳米纤维；
c）在含有铂的纳米纤维上沉积第二层电纺聚合物纳米纤维；
d）只在含有金属的纳米纤维上电镀铜（第二层电纺的纳米纤维之所以未被电镀，是因为在没有金属催化时它们是不导电的）；
e）将电镀和未电镀纳米纤维转移到透明基板上；
f）将未电镀纳米纤维溶解除去。

图二：用铜电镀线（CuEW）制备透明导电电极中（TCEs）

说明：
a）PDMS上CuEW-TCEs的SEM图像；
b）将CuEW-TCEs转移到人手上和树叶上的照片（第一电纺丝阶段持续时间T_1ST=30s）；
c）PET上 CuEW-TCEs的放大照片（T_1ST=10秒）。

图3：CuEW-TCEs光学和电性能的研究

说明：
a）与先前的研究对比，CuEW-TCEs的薄层电阻与透射比的关系；
b）第一次电纺时间T_1ST=1s时，PDMS上CuEW-TCEs的照片；
c）第一次电纺时间T_1ST=60s时，PDMS上CuEW-TCEs的照片；
d）第一次电纺时间T_1ST=180s时，PDMS上CuEW-TCEs的照片；
e）去除未电镀支撑纤维后CuEW-TCEs 的透射光谱。

图4：CuEWs-TC机械稳定性的研究

说明：薄层电阻与各变量的函数关系：
a）PET上的 CuEW-TCEs弯曲半径；
b）PET上的 CuEW-TCEs弯曲循环；
c）Eco-flex上CuEW-TCEs的单轴应变拉伸试验；
d）当拉伸至770％时，Eco-flex上CuEW-TCEs的照片。

图五：电导和透射的渗流模型

说明：透射率对于电阻的依赖性：
a）实验数据和从渗透理论中找到p和b的相应值；
b）基于理论方程的结果，每一行与恒定b值相对应；蓝色符号表示与a中相对应的理论数据。

文献链接：Self-Junctioned Copper Nanofiber Transparent Flexible Conducting Film via Electrospinning and Electroplating

参考文献：
[1] H. Wu, D. Kong, Z. Ruan, P.-C. Hsu, S. Wang, Z. Yu, T. J. Carney, L. Hu, S. Fan, Y. Cui, Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 421.
[2] P. C. Hsu, S. Wang, H. Wu, V. K. Narasimhan, D. Kong, H. R. Lee, Y. Cui, Nat. Commun. 2013, 4, 1.