Small: 冷冻转移技术制备超薄可拉伸银纳米线透明电极

银纳米线透明电极凭借优异的光电性能、机械柔性以及液相加工等优势,被广泛用于太阳能电池、发光二极管、触摸屏和电子皮肤等光电器件中,被认为是最具商业潜力的下一代透明导电电极。然而,相比于溅射的透明薄膜电极,纳米线搭建的逾渗网络存在表面附着力差、粗糙度大的问题。

通过原位固化剥离技术可以将在衬底上预先制备的银纳米线导电网络完全转移到聚酰亚胺(PI)等塑性聚合物中,但该方法难以适用于聚二甲基硅氧烷(PDMS)和无规共聚酯(Ecoflex)等弹性基材。这主要是由于弹性体的本征弹性在转移银纳米线时无法提供足够的抓取力来克服纳米线和衬底间的范德华力,这导致了部分纳米线无法转移,逾渗网络结构被严重破坏,转移后的透明导电网络性能急剧衰减。

针对该问题,华中科技大学武汉光电国家研究中心周军教授和胡彬教授课题组开发了液氮冷冻转移技术,实现了将银纳米线透明电极完全转移到弹性体中。该技术利用低温下弹性体玻璃化转变导致的弹性模量增大与尺寸收缩,提升了聚合物施加在银纳米线上的Von Mises应力,增大了转移瞬时的抓取力。数值模拟表明,与常温状态相比,玻璃化转变的弹性体急剧收缩使其对银纳米线的抓取力提高了9个数量级。该冷冻转移过程可以在几秒内完成,弹性体在室温下能够快速恢复柔软特性,银纳米线透明电极实现无损转移并嵌入弹性体表面。通过该方法制备的数微米厚度的超薄弹性透明电极具有的高透光率与导电性(~90%,~13 Ω/sq),可以承受70%的拉伸应变和数万次的弯折。作为表皮电极能够与皮肤良好贴合,具有优于商业化凝胶电极的心电/肌电信号监测能力。

该冷冻转移技术通过短暂赋予弹性体塑性聚合物的转移能力,获得了清洁无污染、低粗糙度的导电表面,使其成为柔性/可拉伸光电器件的理想透明窗口电极,作为一种在实验室简单、易行的通用技术,可以应用于超薄可拉伸的无线通信、太阳能电池和发光二极管等器件。

该工作得到了国家重点研发计划,国家自然科学基金,中国博士后科学基金和博士后国际交流计划派出项目的资助,在线发表在Small(DOI:10.1002/smll.202000450)上。