CC BY
18
УДК 661.857
Морозов АН., Перунова ЕЮ.
СОЗДАНИЕ ПРОЗРАЧНЫХ ТОКОПРОВОДЯЩИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОНИТЕЙ
Морозов Александр Николаевич, к.х.н., старший преподаватель кафедры ТНВ и ЭП РХТУ им. Д.И. Менделеева iMOPO3OB@gmail.com
Перунова Елена Юрьевна, студентка 1 курса магистратуры кафедры ТНВ и ЭП РХТУ им. Д.И. Менделеева Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», Россия, Москва 125047, г. Москва, Миусская площадь, д.9
Разработано многослойное токопроводящее прозрачное покрытие из нанонитей серебра и углеродных нанотрубок. Показано, что полученные пленки на стеклянных подложках обладают поверхностным сопротивлением около 10 Ом/кв при прозрачности 85%. Изучена морфология и оптоэлектронные свойства формируемых пленок в зависимости от типа используемых углеродных нанотрубок. Установлено, что применение ковалентно функционализованных многостенных углеродных нанотрубок способствует формированию плотной пленки, защищающей слой из нанонитей серебра от воздействия окружающей среды.
Ключевые слова: углеродные нанотрубки, нанонити, серебро, прозрачные проводящие пленки, напыление
CREATION OF TRANSPARENT CONDUCTIVE COATINGS BASED ON METAL NANOWIRES
Morozov A.N., Perunova E.Yu.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
A multilayer conductive transparent coating of silver and carbon nanotubes has been developed. It is shown that the obtained films on glass substrates have a surface resistance of about 10 ohms/sq with a transparency of'85%. The morphology and optoelectronic properties of the formed films are studied depending on the type of carbon nanotubes used. It has been established that the use of covalently functionalized multiple carbon nanotubes contributes to the formation of a dense film that protects the layer of silver nanons from environmental exposure.
Keywords: carbon nanotubes, nanowires silver, transparent conductive films, spray-coating
Прозрачные токопроводящие пленки (TCFs) являются одним из основных компонентов сенсорных экранов, тонкопленочных солнечных элементов и органических светодиодов (OLED). Оксид индия, легированный оловом (ITO), благодаря уникальным оптоэлектронным свойствам, получил наибольшее распространение в качестве материала для создания TCFs. Существенным недостатком пленок на основе ITO является их низкая механическая прочность при изгибе и дефицит индия, что делает данный материал нежелательным при создании современных гибких оптоэлектронных устройств. Таким образом, актуальными являются работы, направленные на разработку новых альтернативных материалов для промышленного производства TCFs. В связи с этим существенно возрос спрос на материалы с улучшенными оптоэлектронными свойствами для различных областей применения. В последнее время основной задачей в области создания TCFs являлось получение материалов с улучшенной проводимостью и прозрачностью. В настоящее время все большее значение уделяется другим свойствам материалов: работе выхода электронов, адгезии, термическому расширению, термической и химической устойчивости, кристалличности, пористости и т.д. В качестве наиболее перспективных материалов для изготовления TCFs исследуются оксиды металлов, легированные примесями различной природы (Sn02:F, CuO2:Al и ZnO:Al), проводящие полимеры, металлические нанонити и углеродные наноматериалы [1].
Пленки на основе металлических нанонитей (НН) при светопропускании более 85% обладают поверхностным сопротивлением около 10 Ом/кв, что делает их весьма перспективным материалом для замены ГТО. Кроме того, нанесение металлических НН из жидких дисперсий позволяет реализовать нанесение пленок по дешевой технологии «рулон на рулон». В отличие от нестехиометричных оксидов, при нанесении НН отсутствуют ограничения по размерам и форме используемых подложек. В связи с вышеизложенным, металлические НН представляются одним из наиболее перспективных материалов для изготовления TCFs. С экономической точки зрения для получения TCFs наибольший интерес представляют НН серебра и меди. Однако, пленки на основе НН Л§ и Си имеют ряд существенных недостатков, к которым относятся низкая устойчивость к действию окружающей среды и большое контактное сопротивление между отдельными частицами, что требует разработки технологий получения НН длинной более 10 мкм с абсолютно чистой поверхностью. В связи с этим, в настоящее время ведутся активные работы по разработке новых подходов по улучшению свойств TCFs на основе НН Л§ и Си.
Существует способ снизить контактное сопротивление НН Л§ за счет термической обработки при температурах 150 - 300°С [2]. Однако этот подход нельзя применять при использовании полимерных подложек. Другим методом является создание многослойных пленок путем нанесения на слой из металлических НН слоя из углеродных наноматериалов.
Нанесение углеродных наноматериалов не только способствует снижению контактного сопротивления между НН, но и защищает их от агрессивного воздействия окружающей среды. Среди углеродных наноматериалов, благодаря низкой себестоимости и доступной технологии получения, наибольший интерес представляют многослойные углеродные нанотрубки (УНТ).
В настоящей работе представлены результаты исследования влияния различных типов УНТ на морфологию и оптоэлектронные свойства многослойных пленок УНТ/НН Л§.
Многослойные пленки из НН Л§ и УНТ были получены методом напыления их дисперсий (1 г/л в этаноле) с помощью аэрографа на поверхность стеклянных подложек размером 10x20 см. Синтез дисперсий из НН Л§ проводили полиольным восстановлением ионов серебра в этиленгликоле при 120°С в течение 10 часов [3]. Для получения дисперсии УНТ их поверхность функционализировали путем жидкофазной обработки в смеси концентрированных азотной и серных кислот (1:3) при температуре 120°С и продолжительности 1 час. В качестве исходного материала были использованы одностенные (о-УНТ) и многостенные УНТ (м-УНТ) собственного производства.
Морфологию полученных пленок изучали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) на микроскопе JSM-6510 ЦУ («JEOL», Япония) в центре коллективного пользования имени Д.И. Менделеева. Поверхностное сопротивление TCFs измеряли четырехточечным методом.
Светопропускание пленок определяли на спектрофотометре СФ-2000 («ОКБ Спектр», Россия) при длине волны 550 нм.
На рис. 1 представлены микрофотографии СЭМ участков поверхности полученных пленок.
[Q
WD12mm SS20 * 50, ООО D
Рисунок 1. Микрофотографии СЭМ участок поверхности полученных пленок: (а-б) - НН Ag, (в) - о-УНТ/НН Ag, (г) -м-УНТ/НН Ag
Согласно данным СЭМ (рис.1), структура исходных пленок представляет собой сетчатую структуру из отдельных НН Ag диаметром 30±5 нм и длинной до 30 мкм. Видно, что нанесенные УНТ равномерно распределены по всей площади исходной пленки. Стоит отметить, что на микрофотографиях СЭМ поверхности образцов о-УНТ/НН Ag и м-УНТ/НН Ag наблюдается равномерное распределение электрического тока, в то время как на поверхности исходных пленок присутствуют участки с локализованным зарядом поверхности. Критическое сравнение морфологии поверхности пленок о-УНТ/ НН Ag и м-УНТ/НН Ag показало существенное различие, которое заключается в наличии в пленках о-УНТ/НН Ag пор размером 10-30 нм. Отсутствие пор в пленках м-УНТ/НН Ag, вероятно, связано с тем, что при ковалентной функционализации м-УНТ в качестве побочного продукта образуется большое количество окисленного графена, который закрывает пустоты между м-УНТ и НН Ag и способствует формированию более плотных пленок, чем при нанесении о-УНТ.
Поверхностное сопротивление исходных пленок составило 150±30 Ом/кв, светопропускание - 95%. Нанесение слоя из о-УНТ способствовало снижению сопротивления до 9±3 Ом/кв и светопропускания до 85%. При нанесении м-УНТ наблюдалось снижение поверхностного сопротивления до 12±4 Ом/кв, а светопропускания до 85%.
Список литературы
1. He L., Tjong S.C. Nanostructured transparent conductive films: Fabrication, characterization and applications // Materials Science and Engineering: R: Reports. 2026. V.109. PP. 1 - 101.
2. Lee J.-Y., Connor S.T., Cui Y., Peumans P. Solution-processed metal nanowire mesh transparent electrodes // Nano Letters. 2008. №8. PP. 689 - 692.
3. Перунова Е.Ю., Морозов А.Н. Влияние условий сольвотермального процесса на морфологию получаемых наночастиц серебра успехи в химии и химической технологии // Успехи в химии и химической технологии. Т.34. №4. С. 40 - 42.
