Простой синтез серебряных нанопроволок с разным соотношением сторон и используемых в качестве высокоэффективных гибких прозрачных электродов

Фон

Гибкие прозрачные электроды (FTE) играют важную роль в гибкой электронике следующего поколения [1,2,3,4]. FTE могут применяться во многих оптоэлектронных устройствах в качестве проводящих компонентов, включая сенсорные экраны [5, 6], портативные солнечные элементы [7, 8], органические светодиоды (OLED) [9,10,11], электрод топливного элемента [ 12,13,14,15,16,17], датчики [18, 19], фильтр PM [20], прозрачные нагреватели [21, 22] и носимая электроника [23, 24]. Преобладающим прозрачным электродом (ТЕ), используемым в настоящее время, является оксид индия-олова (ITO) из-за низкого сопротивления листа (<100 Ом / кв.) И высокого коэффициента пропускания (> 80%). Но его внутренняя хрупкость ограничивает применение в гибкой электронике. Более того, это требует процесса высокотемпературного осаждения и затруднено из-за нехватки индия [25,26,27]. Поэтому появилось несколько новых проводящих пленок с хорошей гибкостью и оптической прозрачностью, таких как металлические сетки [2, 28, 29], углеродные нанотрубки (УНТ) [30,31,32,33], графен [34,35,36], Ag ННК [5, 37,38,39,40,41], ННК Cu [42, 43], проводящие полимеры [44, 45] и их гибриды [46,47,48] были изготовлены, стремясь заменить ITO. Среди этих кандидатов пленки Ag NW широко исследовались как в научных, так и в промышленных учреждениях благодаря превосходной электропроводности и высокой оптической прозрачности. Кроме того, Ag ННК демонстрируют выдающуюся гибкость и растяжимость, что является одним из привлекательных преимуществ для изготовления растягиваемых прозрачных проводников по сравнению с хрупким ITO [49,50,51]. Более того, пленки Ag NW, обработанные в растворе, более рентабельны, чем ITO. Все эти свойства делают пленки Ag NW многообещающей альтернативой ITO для применения в гибкой электронике.

Тем не менее, необходимо решить несколько вопросов, чтобы коммерциализировать пленки Ag NW в качестве FTE. Во-первых, Ag ННК с различным соотношением сторон необходимо легко синтезировать контролируемым образом, потому что заманчивые свойства пленок Ag ННК во многом зависят от размеров Ag ННК, а хорошо продуманные длина и диаметр очень важны для различных приложений [52, 53]. Как правило, полиольный процесс является наиболее широко используемым методом получения Ag ННК. Ран и др. [54] синтезировали тонкие Ag ННК с соотношением сторон больше 1000, используя смешанный ПВП со средней молекулярной массой 58000 и 1300000 в качестве закрывающего агента. Однако влияние соотношения сторон на оптоэлектронные характеристики Ag ЯЭ не исследовалось в их работе. Хотя Ding et al. [55] подготовили Ag ННК с различными диаметрами, варьирующимися от 40 до 110 нм, и изготовили Ag ЯЭ с коэффициентом пропускания 87% и сопротивлением листа около 70 Ом / кв. Многие параметры необходимо одновременно регулировать для контроля диаметров Ag. ННК и оптоэлектронные характеристики полученных Ag ЯЭ не были бы удовлетворительными. Ли и др. [56] синтезировали тонкие Ag ННК диаметром 20 нм путем изменения концентрации бромида. И они изготовили высококачественные пленки Ag ННК с коэффициентом пропускания 99,1% при 130,0 Ом / кв. Ко и др. [57] разработали метод многоступенчатого выращивания для синтеза очень длинных Ag ННК размером более нескольких сотен микрометров, и изготовленные пленки продемонстрировали превосходное пропускание 90% с сопротивлением листа 19 Ом / кв. Оптоэлектронные характеристики этих пленок Ag ННК сопоставимы или даже лучше, чем у пленок ITO. Но минимальное соотношение сторон Ag NW, которое позволяет изготавливать TE, конкурирующие с коммерческим ITO по сопротивлению листа и коэффициенту пропускания, все еще остается неопределенным. Следовательно, необходимо синтезировать Ag ННК с различным соотношением сторон и изучать их влияние на оптоэлектронные характеристики пленок Ag ННК.

Кроме того, электронная проводимость пленок Ag ННК относительно низкая из-за высокого сопротивления перехода нанопроволоки [58]. При полиольном синтезе Ag ННК ПВП в качестве поверхностно-активного вещества адсорбируется на поверхности Ag ННК, что приводит к изолированному контакту между проволоками в случайной сети [59, 60]. Следовательно, различные физические и химические пост-процессы, включая термический отжиг [38, 39, 61, 62], механическое прессование [63], нанопайку с проводящими полимерами [64], плазмонную сварку [65], лазерную наносварку [66,67, 68] и интеграция с другими материалами [60], были исследованы для уменьшения сопротивления перехода. Среди этих дополнительных обработок обычно используется термический отжиг почти при 200 ° C. Он несовместим с гибкими пластиковыми подложками, которые не выдерживают высоких температур, и, следовательно, ограничивает применение пленок Ag NW в гибких оптоэлектронных устройствах.

Здесь представлена ​​серия Ag ННК с различным аспектным отношением, варьирующимся от прибл. От 30 до ок. 1000 контролируемым образом синтезированы и используются для изготовления прозрачных Ag ЯЭ с высокой проводимостью. Во-первых, Ag NW получают простым PVP-опосредованным полиольным процессом, в котором смесь PVP с разной средней молекулярной массой может эффективно уменьшать диаметры. Впоследствии синтезированные нанокристаллические нанокристаллы из серебра с различным соотношением сторон используются для изготовления пленок из серебра без высокотемпературного отжига, соответственно. И соответствующие оптоэлектронные характеристики исследуются в сравнении. Наилучшее сопротивление листа и коэффициент параллельного пропускания могут достигать 11,4 Ом / кв. И 91,6%, когда соотношение сторон достигает почти 1000. Более того, сопротивление листов готовых пленок Ag NW практически не меняется после испытаний на изгиб изнутри и снаружи.

Методы

Материалы и химические вещества

Нитрат серебра (AgNO ₃ , AR) и безводный этанол (C ₂ H ₅ OH, AR) были приобретены у Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. Дегидрат хлорида меди (II) (CuCl ₂ · 2H ₂ O, AR) и PVP (MW≈58000, обозначено как PVP-58) были приобретены у Shanghai Aladdin Reagents Co., Ltd. Этиленгликоль (EG, 98%) и PVP (MW≈10 000, 40 000 и 360000, обозначены как PVP. -10, PVP-40 и PVP-360 соответственно) были приобретены у Sigma-Aldrich. Во всех экспериментах использовалась деионизированная вода (18,2 МОм).

Синтез Ag ННК

Ag NW с различными соотношениями сторон получают простым PVP-опосредованным процессом полиола в одном реакторе. Обычно 0,170 г AgNO ₃ растворяют в 10 мл EG при перемешивании магнитной мешалкой. Затем 0,15 М ПВП-40 и 0,111 мМ CuCl ₂ · 2H ₂ Смешанный раствор O в 10 мл EG добавляют по каплям к вышеуказанному раствору. Затем смесь переносят в автоклав из нержавеющей стали с тефлоновым покрытием вместимостью 50 мл и нагревают при 160 ° C в течение 3 часов. После естественного охлаждения до комнатной температуры чистые ННК Ag получают центрифугированием при скорости 2500 об / мин в течение 5 мин и трижды промывают этанолом и деионизированной водой. Наконец, продукты диспергируют в этаноле для дальнейшей характеристики и применения. Более того, концентрация и средняя молекулярная масса ПВП очень важны для контроля морфологии и размера продуктов. Следовательно, различные типы молекул PVP одновременно используются для регулирования диаметров Ag ННК в процессе полиола. Подробные экспериментальные параметры перечислены в Дополнительном файле 1:Таблица S1, обозначенных как S1 – S13, соответственно.

Изготовление ЯТЭ Ag

Полиэтилентерефталат (ПЭТ) толщиной 150 мкм разрезают на куски размером 20 × 20 мм. Вкратце, свежеприготовленные ННК Ag диспергируют в этаноле (6 мг / мл), и 50 мкл раствора ННК Ag наносят центрифугированием при 2000 об / мин в течение 30 с на подложку из ПЭТ. Наконец, пленки Ag NW нагреваются до 140 ° C в течение 15 минут без какой-либо дополнительной обработки. Соотношения сторон Ag ННК, скорость вращения, концентрация и объем раствора Ag ННК исследуются для изготовления высококачественных ЯЭ. Что касается покрытия методом многократного центрифугирования, каждый объем раствора Ag NW изменяется до 25 мкл, а скорость вращения устанавливается на 2000 об / мин. Временной интервал в каждом покрытии центрифугированием необходим для улетучивания этанола. Остальные параметры такие же, как у вышеупомянутых процессов.

Характеристика и тест производительности

Изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), записывают с помощью холодного автоэмиссионного SEM (Hitachi S-4800). Изображения просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и ПЭМ высокого разрешения (ПЭМВР) были получены с использованием JEOL JEM-2100F. Спектры УФ-видимого поглощения Ag ННК и спектры оптического пропускания пленок Ag ННК получены на спектрофотометре Shimadzu UV-3600. Сопротивление листа измеряется при комнатной температуре с помощью 4-точечного тестера сопротивления (FP-001).

Результаты и обсуждение

Обычно Ag ННК синтезируют с помощью полиольного процесса, в котором ПВП используется в качестве кэпирующего агента для обеспечения роста одномерных ННК Ag [69, 70]. Во время синтеза многие параметры, такие как температура реакции, скорость перемешивания, концентрация ПВП, длина цепи ПВП, добавки и соотношение химических веществ, могут влиять на выход и морфологию синтезированных ННК серебра. Например, неподходящая температура реакции ниже 110 ° C или выше 180 ° C позволяет большему количеству атомов Ag образовывать наночастицы (НЧ) Ag, а не ННК Ag [70, 71]. Длина синтезированных ННК Ag увеличивается при снижении скорости перемешивания [72, 73]. В этой статье мы в основном исследуем концентрацию ПВП и их средний молекулярный вес на влияние морфологии и размера ННК серебра. Соответствующая морфология и распределение по размерам Ag ННК показаны на рис. 1 и в дополнительном файле 1:на рис. S1. Во-первых, концентрация PVP увеличивается с 0,05 M (образец S1, дополнительный файл 1:рисунок S1a) до 0,15 M (образец S2, рисунок 1a). Соответствующая морфология продуктов изменена от почти сферических НЧ Ag к чистым ННК Ag со средним диаметром 104,4 нм и длиной 12,3 мкм. Смесь Ag NW и Ag NP наблюдается, когда концентрация PVP увеличивается до 0,25 M (образец S3, дополнительный файл 1:рисунок S1b). При дальнейшем увеличении концентрации ПВП до 0,55 М (образец S4, Дополнительный файл 1:Рисунок S1c) образуется большое количество НЧ Ag различной формы (включая почти сферу и треугольную пластину). Результаты показывают, что более низкая или более высокая концентрация PVP не способствует получению чистых нанокристаллов серебра, что, в свою очередь, приводит к отсутствию нанокристаллов серебра. Образование НЧ Ag в продуктах при изменении концентрации ПВП можно объяснить нарушением анизотропного роста по всей поверхности многократно двойниковых наночастиц (МТП) [69, 74].

а , b СЭМ-изображения синтезированных ННК Ag с PVP-40 и PVP-360 соответственно. Обе концентрации ПВП составляют 0,15 М. a ′ b ′ Соответствующее статистическое распределение диаметра и длины. ( вставки через а и b - соответствующие изображения SEM с большим увеличением и все масштабные линейки 500 нм)

Кроме того, обсуждается влияние ПВП с разной молекулярной массой на морфологию и размер ННК Ag. При использовании PVP-10 получаются только наночастицы Ag и агрегированные наностержни (образец S5, дополнительный файл 1:рисунок S1d). При использовании отдельно PVP-58 (образец S6, Дополнительный файл 1:Рисунок S1e) и PVP-360 (образец S7, Рисунок 1b), соответствующая морфология и размер продуктов изменяются с коротких ННК Ag (со средним диаметром 235 нм). и длиной 6,7 мкм) до Ag ННК с высоким аспектным отношением (со средним диаметром 132,1 нм и длиной 69,9 мкм). Согласно вышеупомянутым результатам для образцов S2, S5, S6 и S7, средняя молекулярная масса ПВП не только играет жизненно важную роль в формировании морфологии ННК Ag, но также оказывает значительное влияние на диаметр и длину продуктов ННК Ag. . Влияние ПВП с разной средней молекулярной массой на морфологию и размер ННК серебра можно объяснить тремя факторами:(i) ПВП в качестве кэпирующего агента предпочитает адсорбироваться на боковых сторонах МТП [69]. Сильная химическая адсорбция способствует росту длинных ННК Ag [75]. (ii) стерический эффект закрывающего слоя ПВП позволяет атомам серебра осаждаться на боковых поверхностях через зазор между соседними молекулами ПВП, что в дальнейшем приводит к образованию толстых нанокристаллов серебра [54]. (iii) Высокая вязкость PVP с высокой средней молекулярной массой в растворе EG может замедлить скорость роста, что способствует образованию MTP [76, 77]. В результате низкая средняя молекулярная масса ПВП, как и ПВП-10, не будет эффективно адсорбироваться на гранях кристалла (100), чтобы ограничить боковой рост. Между тем небольшой стерический эффект и низкая вязкость не препятствовали бы агрегации наноструктур серебра. ПВП с высокой молекулярной массой, как и ПВП-360, обладает сильной химической адсорбцией на боковых сторонах, что приводит к образованию длинных ННК серебра. Но большой стерический эффект ПВП-360 приведет к увеличению диаметра.

Чтобы получить высокое соотношение сторон Ag ННК, адсорбционная сила и стерический эффект должны быть достигнуты до состояния баланса в PVP-опосредованной системе. Таким образом, смешанные молекулы ПВП в различных молярных соотношениях используются в качестве кэпирующего агента, и соответствующая морфология и распределение по размерам ННК Ag показаны на рис. 2 и в дополнительном файле 1:рис. S2. При смешивании ПВП-58 с ПВП-40 в молярном соотношении 1:1 получаются ННК Ag со средним диаметром 47,5 нм и длиной 16,1 мкм. В то время как молярное соотношение PVP-40 и PVP-58 регулируется до 1:2 или 2:1, диаметр Ag NW увеличивается. Кроме того, аспектные отношения Ag ННК резко увеличиваются при смешивании ПВП-40 с ПВП-360, поскольку диаметры значительно уменьшаются. Когда молярное соотношение ПВП-40 и ПВП-360 составляет 1:1, соотношение сторон достигает почти 1000, а диаметры имеют более равномерное распределение, как показано на рис. 2e.

СЭМ-изображения Ag ННК, синтезированных с использованием различных смешанных молекул ПВП. а ПВП-40:ПВП-58 =2:1, b ПВП-40:ПВП-58 =1:1, c ПВП-40:ПВП-58 =1:2, d ПВП-40:ПВП-360 =2:1, е ПВП-40:ПВП-360 =1:1, f ПВП-40:ПВП-360 =1:2 соответственно. Вся общая концентрация ПВП составляет 0,15 М, и разные молекулы ПВП смешиваются в молярном соотношении. ( вставки через а - е - соответствующие изображения СЭМ с большим увеличением, а все масштабные линейки 500 нм)

Влияние смешанного ПВП с разной длиной цепи на диаметр ННК Ag можно кратко пояснить на схеме 1а. Длинноцепочечные молекулы ПВП могут задерживать латеральный рост ННК Ag из-за сильной адсорбции на гранях (100). Большой стерический эффект, возникающий из-за длинных цепей, приводит к относительно большому расстоянию между соседними молекулами ПВП. Атомы Ag все еще могут осаждаться на поверхности Ag ННК путем диффузии через зазор между соседними молекулами PVP, в результате чего образуются толстые ННК Ag. При использовании смешанного ПВП с различной длиной цепи ПВП с короткой цепью может заполнить пробел между ПВП с длинной цепью. Следовательно, грани (100) могут быть пассивированы более эффективно, что приводит к образованию более мелких затравок Ag и более тонких нанокристаллов Ag [76]. Как показано на схеме 1b, в нашей работе получены Ag ННК с типичными характеристиками. Можно предположить, что с помощью этого экспериментального маршрута могут быть получены Ag ННК с более высоким коэффициентом удлинения.

а Схематическая иллюстрация механизма роста Ag NW с использованием смешанного PVP с различной длиной цепи. б С помощью PVP-опосредованного полиольного процесса получаются ННК Ag с различным аспектным соотношением

Микроструктура и морфология Ag ННК охарактеризованы с помощью ПЭМ и показаны на рис. 3а, б. Одиночная нанопроволока покрыта тонким слоем ПВП толщиной ок. 2 нм. На рис. 3в показано изображение ПЭМ ВР ННК Ag с хорошей кристаллической структурой. Изображение HRTEM ясно показывает, что промежутки между периодическими полосами составляют 0,235 и 0,202 нм, что хорошо соответствует пространствам кристаллических плоскостей для плоскостей (111) и (200) гранецентрированного кубического (ГЦК) Ag. Между тем, ННК Ag растут в направлении [110], как отмечено белой стрелкой, и это аналогично результатам в более ранних отчетах [70, 76].

ТЕА ( а , b ) и HRTEM ( c ) изображения ННК Ag, синтезированных путем смешивания ПВП-40 с ПВП-360 (в молярном соотношении 1:1)

Как показано на рис. 4, спектры поглощения в УФ и видимой области для полученных Ag ННК отличаются от спектров квазисферических наночастиц Ag. В спектрах Ag ННК появляются двойные характерные пики. Плечевой пик, расположенный около 350 нм, можно отнести к плазмонному резонансу объемной серебряной пленки [70, 78]. Второй пик может быть отнесен к поперечной плазмонной моде Ag ННК, а положение пика связано с размерами серебряных наноструктур [79]. В то время как пик около 570 нм, являющийся результатом продольного плазмонного резонанса, отсутствует в спектрах, потому что аспектное отношение готовых Ag ННК намного больше 5 [70, 80]. Кроме того, как отмечено пунктирной зеленой линией, второй пик смещается в красный цвет с увеличением диаметра. Однако следует отметить отсутствие явного пика при увеличении диаметра ННК Ag. Для Ag ННК из образца S6 (средний диаметр 235 нм) и S10 (средний диаметр 222,8 нм) максимумы интенсивности поглощения располагаются на длине волны 408,5 и 406,5 нм соответственно. Они меньше, чем пиковая длина волны Ag ННК с меньшими диаметрами из образца S7 (средний диаметр 132,1 нм, максимальная длина волны 412 нм), что указывает на отслоение тенденции к красному смещению длины волны правого пика с большими диаметрами. P>

Спектры поглощения в УФ-видимой области для свежеприготовленных Ag ННК различного диаметра

Для получения высококачественных пленок Ag ННК необходимо оптимизировать процесс нанесения покрытия центрифугированием. Как показано на фиг. 5a, наблюдается, что сопротивление листа увеличивается с увеличением скорости вращения, потому что количество Ag ННК, цепляющихся за поверхность ПЭТ, уменьшается, что приводит к снижению проводимости. Кроме того, следует отметить, что сопротивление листа значительно снижается до 19,6 Ом / кв при использовании раствора Ag ННК с концентрацией 8 мг / мл. И она уменьшается почти в пять раз по сравнению с использованием 6 мг / мл, что может быть связано с формированием более эффективных путей проводящей перколяции в сетке Ag ННК, тогда как некоторые макроскопические агломераты Ag ННК появляются при увеличении концентрации до 8 мг / мл. мл. Затем проводят повторный процесс нанесения покрытия центрифугированием. Как показано на фиг. 5b, как коэффициент пропускания, так и сопротивление листа уменьшаются с увеличением времени нанесения покрытия центрифугированием. Что еще более важно, когда объем раствора Ag ННК добавляется от 50 до 75 мкл, сопротивление листа резко снижается с 98,46 до 11,87 Ом / кв. При дальнейшем увеличении объема до 100 мкл сопротивление листа уменьшается до 10,42 Ом / кв. С коэффициентом пропускания 80,95%. Это указывает на то, что плотность нанопроволок в наноструктурированных прозрачных проводящих сетках может достигать критической точки, когда происходит переход от перколяционного поведения к объемному поведению [81], когда объем увеличивается до 75 мкл. Кроме того, для оценки производительности NTE рассчитывается добротность (FOM), которая коррелирует коэффициент пропускания с сопротивлением листа. Обычно коэффициент пропускания ( T _λ ) и листового сопротивления ( R _s ) тонкой металлической пленки удовлетворяют следующему уравнению. (1):

а Зависимость листового сопротивления пленок Ag ННК от скорости центрифугирования при различной концентрации ННК Ag. б Сравнение оптоэлектронных характеристик Ag ЯЭ, изготовленных из растворов Ag ННК разного объема. Концентрация раствора Ag NW составляет 6 мг / мл, а объем каждого центрифужного покрытия составляет 25 мкл. вставка - значения FOM пленок Ag ННК в зависимости от объема раствора Ag ННК. c - е СЭМ-изображения пленок Ag ННК, изготовленных с использованием различных объемов растворов Ag ННК, c 25 мкл, d 50 мкл, e 75 мкл, f 100 мкл соответственно. Все масштабные линейки 5 мкм

σ _op (λ) - оптическая проводимость и σ _DC - проводимость пленки по постоянному току [37]. Значение σ _{DC /} σ _op (λ) работают как ФОМ. А более высокое значение FOM означает лучшие оптоэлектронные характеристики. На вставке к рис. 5б представлены значения FOM ЯЭ, изготовленных из растворов Ag ННК разного объема. Когда объем добавлен к 75 мкл, Ag NW имеет наивысшее значение FOM, резко увеличиваясь с 23,3 до 162,6. Это означает, что достигается баланс между низким сопротивлением листа и высоким коэффициентом пропускания при трехкратном нанесении покрытия центрифугированием. Кроме того, на рис. 5c – f показаны СЭМ-изображения пленок Ag ННК на ПЭТФ с различной плотностью, соответствующей объему растворов Ag ННК для 25, 50, 75 и 100 мкл соответственно. Из изображений очевидно, что сети Ag ННК становятся все более плотными, а распределение Ag ННК более равномерным по мере увеличения объема раствора Ag ННК. Таким образом, можно использовать повторный процесс центрифугирования для изготовления однородных пленок Ag нанопроволоки с различным коэффициентом пропускания и сопротивлением листа для различных применений.

Для применения в ЯЭ, переходы в нанопроволоке оказывают существенное влияние на проводимость случайной сетки Ag ННК [58]. В процессе полиола в синтезированных ННК Ag сохраняется остаточный изолированный слой ПВП, что приводит к высокому сопротивлению на стыках и ухудшению проводимости. Ли и др. [59] сообщили, что повторная промывка растворителем может уменьшить слой ПВП примерно с. От 4 до 0,5 нм и позволяет сваривать перекрывающиеся серебряные ННК при комнатной температуре. Точно так же мы повторили промывание синтезированных ННК Ag три раза этиловым спиртом, чтобы удалить слой ПВП в максимально возможной степени. Как указано выше на рис. 3а, остается тонкий слой ПВП толщиной 2 нм. Это может не только эффективно снизить сопротивление перехода, но также обеспечить хорошее диспергирование наночастиц серебра в растворителе. С другой стороны, для палочек без ширины в двух измерениях критическая числовая плотность ( N _c ) палочек для создания перколяционной сети дается формулой. (2):

L - длина нанопроволоки [52]. Это уравнение подразумевает, что плотность ННК Ag, необходимая для перколяционной сети, обратно пропорциональна квадрату длины. Следовательно, длинные нанопроволоки имеют тенденцию создавать разреженную и эффективную перколяционную сеть с низкой плотностью числа. Он может не только увеличить светопропускание, но и улучшить проводимость за счет создания длинных путей перколяции с меньшим количеством соединений нанопроволоки.

На рис. 6а показано сравнение оптоэлектронных характеристик ЯЭ, изготовленных из Ag ННК с различным соотношением сторон. Для образцов S2 и S9 увеличение параллельного пропускания может быть связано с меньшими диаметрами, которые уменьшились с 104,4 до 47,5 нм, поскольку нанопроволоки меньшего диаметра могут рассеивать меньше света, что приводит к дальнейшему уменьшению матовости. Поскольку соотношение сторон превышает 500 (образец S7), получаются пленки Ag NW с параллельным пропусканием 81,8% (87,2%) и сопротивлением листа 7,4 Ом / кв (58,4 Ом / кв). Оптоэлектронные характеристики сопоставимы с характеристиками коммерческих пленок ITO (85%, 55 Ом / кв.) [5]. Кроме того, когда соотношение сторон достигает почти 1000 (образец S12), пленки Ag ННК демонстрируют более высокий коэффициент пропускания (91,6–95,0%) и электронную проводимость (11,4–51,1 Ом / квадрат), чем пленки ITO. Они в достаточной степени удовлетворяют эксплуатационным требованиям TE при применении солнечных элементов или сенсорных экранов. Более того, как показано на рис. 6b, наибольшее значение FOM достигает 387, что выше, чем многие другие сообщенные значения различных TE [62, 73]. Отличные характеристики можно отнести к длинным и тонким ННК из серебра. Кроме того, следует отметить, что значение FOM резко увеличивается с 89 до 224, когда соотношение сторон увеличивается с 339 (образец S9) до 529 (образец S7). Основная причина, вероятно, состоит в том, что более длинные Ag ННК из образца S7 образуют более эффективную перколяционную сеть с меньшим количеством нанопроволок, что приводит к гораздо большему пропусканию света через сеть Ag ННК. Это указывает на то, что стратегия длинных Ag ННК является простым и эффективным способом получения ЯЭ с многообещающими оптоэлектронными характеристиками, когда тонкие Ag ННК диаметром менее 20 нм не синтезируются успешно [52, 67]. На рис. 6в представлены спектры оптического пропускания пленок Ag ННК, изготовленных из образца S12. Спектры показывают широкую плоскую область от видимого света до ближней инфракрасной длины волны, что может улучшить диапазон использования света и является преимуществом для дисплеев и солнечных батарей, в то время как коэффициент пропускания пленок ITO демонстрирует резкие колебания в области видимого света [7 ].

а Сравнение оптоэлектронных характеристик ЯЭ, изготовленных из Ag ННК с различным соотношением сторон (AR). б Лучшие значения FOM пленок Ag ННК по сравнению с АО Ag ННК. c Спектры оптического пропускания пленок Ag ННК, изготовленных из образца S12. г Перколятивная добротность ( П ) в зависимости от показателей проводимости ( n ). сплошные линии построены при заданных комбинациях коэффициентов пропускания ( T ) и листового сопротивления ( R _s ), как рассчитано из ур. (3). Графеновые данные для графена, ОСНТ, ННК Cu, ННК Ag взяты из недавно опубликованных отчетов [37, 67, 81]. звездочка представляет результаты пленок Ag ННК, изготовленных с использованием образца S12 из этой работы

Чтобы дополнительно оценить оптоэлектронные характеристики сетей Ag NW, перколяционный FOM, П , был предложен в формуле. (3) Де и др. [81]:

Я ₀ - импеданс свободного пространства (377 Ом). Т и R _s представляют собой коэффициент пропускания и поверхностное сопротивление пленок Ag ННК, соответственно. Высокие значения П означает низкое сопротивление листа и высокий коэффициент пропускания. Перколяционный FOM ( П ) и показатель проводимости ( n ) в этой работе рассчитываются равными 89,8 и 1,50 с использованием уравнения. (3) соответственно. Значение перколяционного FOM выше, чем другие сообщенные значения различных TE (показаны на рис. 6d). Это можно объяснить двумя причинами:тонкий слой ПВП (около 2 нм) может эффективно снизить сопротивление перехода нанопроволоки. С другой стороны, длинные серебряные ННК (около 71,0 мкм) образуют длинные проводящие пути в перколяционных сетях, что приводит к уменьшению количества переходов. Интересно, что значение n является неуниверсальным показателем, который был связан с наличием распределения сопротивления переходов нанопроволоки [82,83,84]. Ли и др. [67] использовали процесс лазерной нано-сварки, чтобы уменьшить сопротивление перехода нанопроволоки, и значение n рассчитывается как 1,57. Значение близко к тому, что есть в нашей работе. Кроме того, это говорит о том, что тонкий слой PVP и длинные Ag ННК эффективны для низкотемпературной сварки сети Ag ННК.

На рис. 7а представлены оптические фотографии однородной пленки Ag ННК на ПЭТФ. Пленка очень прозрачная, так как школьный значок на заднем плане хорошо виден сквозь пленку. Рисунок 7b, Дополнительный файл 1:Рисунок S3 и Дополнительный файл 2:Видео S1 показывают, что пленка Ag NW на ПЭТ включает светодиодную лампу при подаче низкого напряжения. Это указывает на то, что вся поверхность пленки Ag ННК обладает высокой проводимостью. In addition, The Ag NW film is very flexible as shown in Fig. 7c.

а Optical image of as-fabricated Ag NWs films on PET. б Ag NWs film is connected in an electric circuit in which an LED is lit. c Optical image of the flexible Ag NWs film

The video of Ag NWs flexible transparent electrodes. (AVI 9706 kb)

The mechanical stability of the fabricated Ag NTEs on PET substrate is evaluated by a bending test. As shown in Fig. 8, the bending test consists of 100 cycles of inner bending and 300 cycles of outer bending with a bending radio of 1.5 cm. No visible defects, such as cracking or tearing of the surface, are observed even after more than 400 cycles of bending test. And Ag NTEs exhibit a stable electronic performance with little change of sheet resistance. Its property to tolerate hundreds of mechanical bending test could be attributed to the flexibility of long Ag NWs and the benign adhesion to the substrate.

The bending test, including inner bending and outer bending. Both the bending radios are 1.5 cm. вставка shows the bent Ag NTEs is still conductive over the whole surface. (R and R ₀ represent the sheet resistance of films before and after bending test, respectively)

Выводы

In summary, Ag NWs with different aspect ratios varying from ca. 30 to ca. 1000 are prepared via a facile PVP-mediated polyol process and are applied to the fabrication of high-performance Ag NTEs with low-temperature sintering. In the polyol process, the diameters of Ag NWs are strikingly reduced and the aspect ratios reach almost 1000 when employing mixed PVP as the capping agent. Additionally, when the aspect ratios exceed 500, the optoelectronic performance of Ag NWs films show good transmittance (81.8–87.2%) and electronic conductivity (7.4–58.4 Ω/sq), comparable to those of commercial ITO films (85%, 45 Ω/sq). Furthermore, high-performance Ag NTEs with a transmittance of 91.6% and a sheet resistance of 11.4 Ω/sq are obtained, as the aspect ratios exceed 1000. The long nanowires and thin PVP layer lead to less number of nanowire junctions and reduced junction resistance, respectively. It allows low-temperature sintering of Ag NWs network, which is advantageous for the applications in the flexible plastic substrates. Moreover, Ag NTEs show excellent flexibility against the bending test. We believe that the ability to synthesize Ag NWs with different aspect ratios and fabricate high-performance NTEs with low-temperature welding are very valuable to the development of flexible electronic devices.