陈小连,苏文明等在蛇形金属网格高拉伸透明电极研制方面取得重要进展

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透明电极是光电显示领域的重要基础材料，随着柔性电子技术的兴起，ITO这一经典透明导电材料因脆性易碎及阻抗较高已逐渐不能满足柔性器件，特别是大尺寸光电器件的需求。随之导电聚合物、碳纳米管、石墨烯、纳米银线等新型柔性电极及其光电器件得到了广泛的研究。但高透过、低方阻的电极从本征材料角度很难兼顾实现。为此，中科院苏州纳米所印刷电子团队在崔铮研究员率领下结合纳米压印工艺及印刷填充纳米导电银浆自主研发了图案化嵌入式金属网格透明导电膜。这一结构材料不仅彻底解决了高透光与高导电不可兼得的难题，还在触控屏上实现大规模量产，创造产值数十亿，该技术荣获2014年中国专利金奖与印刷电子全球最佳制造技术年度奖。
　　印刷电子团队此后陆续研究了金属网格作为透明电极应用于OLED、OPV、电致变色等光电器件和透明电加热技术中，并取得了系列重要进展（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 37048-37054; Scientific Reports，2017，7, 13239; Sol. RRL 2018, 1800118; Adv. Sci. 2019, 1901490; Adv. Electron. Mater. 2019, 1800991；Adv. Mater. Technol. 2022, 2201037; Adv. Mater. 2022, 34, 2110276.）。近几年来，织物可穿戴、皮肤电子技术等得到了快速发展，这对光电材料与器件的力学柔性应变性能（如弯曲、折叠、扭曲和一定拉伸形变下能正常工作）提出了更高的要求。团队为了解决该问题，结合应用需求开发了蛇形金属网格剥离与转移技术，开发了可拉伸金属网格透明电极，并应用在超声换能器阵列、表皮加热和织物发光器件中（Adv. Electron. Mater. 2021, 2100611，ACS Appl. Mater. Interfaces，DOI：10.1021/acsami.2c20681）。但其拉伸稳定性尚存不足，拉伸20个循环即会失效。
　　近日，中科院苏州纳米所印刷电子团队等进一步优化了网格结构的设计，结合网格剥离与转移工艺，开发了一种高导电性、高透光率和多向可拉伸的金属网格透明电极。该电极在80%的透光率下，能实现0.12 Ω/sq的导电性，其FoM值高达15000，是目前报道的最高FoM值的可拉伸透明电极。且在130%的拉伸强度下，电阻保持5%以内的变化，同时4个方向同时拉伸50%时，导电性几乎保持不变，展现了优异的多向拉伸性能。为了证实该可拉伸透明电极的功能性，利用其制备了可拉伸的电致发光器件，在120%的拉伸下，仍保持均匀的发光；并在30%的拉伸强度下，循环拉伸100次，发光器件仍可正常工作。该研究成果展现了可拉伸金属网格透明电极在有拉伸要求的可穿戴光电显示应用方面的潜力。

　　图1. 可拉伸金属网格透明电极的制备流程图、SEM和光电性能比较

　　图1a展示了可拉伸金属网格透明电极制备的工艺流程，具体步骤如下：首先，铜网格的形成：先通过纳米压印在PET衬底上形成所需的凹槽，再使用刮填纳米银浆和电沉积铜层相结合的方式，在凹槽中形成银/铜网格；其次，铜网格的剥离：利用微粘膜与铜网格表面进行贴附，把铜网格转移到微粘膜上；最后，粘弹性衬底的浇筑与剥离：在粘附有铜网格的微粘膜表面浇筑PDMS材料，并固化，再揭下PDMS，从而形成可拉伸的金属网格透明电极。图1h展示了该法制备的可拉伸透明电极的透光率和导电特性。

　　图2. 可拉伸透明电极的拉伸性能表征和力学模拟

　　团队还分别研究了四种不同设计结构的拉伸性能差异。在较小的拉伸强度下，四种结构都保持不变的电阻。随着拉伸强度的加大，四种结构分别展现不一样的拉伸性能，结构振幅设计越大，拉伸性能越好。对于振幅为100μm的正弦曲线结构，具有最好的拉伸性能，在130%的拉伸强度下，电阻几乎保持不变，这主要是此种结构具有最大的理论结构形变量。
　　在拉伸循环稳定性方面，图2c显示：角度为216°的马蹄形结构在30%的拉伸强度下，可循环拉伸230次，并保持稳定的导电性，明显优于其它形状结构。理论计算表明不同的结构在拉伸过程中，波峰和波谷所受的力不一样，而在相同振幅和周期下，当拉伸30%时，马蹄形结构所受的力最小（图2h-k），因此具有更好的拉伸循环性能。

　　图3. 可拉伸透明电极的多方向拉伸性能、曲面贴附性和附着力性能表征

　　团队还对可拉伸金属网格的性能进行系统的研究，如多方向拉伸性能、曲面共形贴附和附着力性能等。如图3b，在4个不同方向进行同时拉伸时，也表现出优异的导电性，在50%的拉伸强度下，各个方向电阻几乎保持不变。同时贴附于曲面衬底后（如圆柱形、半球形等），电阻保持不变。由于金属网格是嵌于PDMS衬底中，具有优异的附着力，利用百格实验3M胶带粘附测试20余次，网格结构始终未发现破损。

　　图4. 基于双面均为可拉伸金属网格透明电极的发光器件拉伸性和循环性能表征

　　最后，利用高性能的金属网格透明电极，制备了可拉伸的ZnS电致发光器件。如图4所示，发光器件在120%的拉伸强度下，仍保持均匀的发光，未发现明显黑斑现象。同时，在30%的拉伸强度下，发光器件经过100次的拉伸循环后，器件仍能正常工作。该研究成果展示了印刷蛇形结构金属网格透明电极在可拉伸光电器件中的性能优势，可作为未来织物可穿戴、皮肤电子等领域光电器件的拉伸透明电极。
　　相关工作以Highly Conductive Omnidirectionally Stretchable 2D Transparent Copper Mesh Electrodes and Applications in Optoelectronic Devices为题发表在Advanced Materials Technologies上。中科院苏州纳米所高级工程师陈小连、北京航空航天大学硕士生陈嘉昀和中国科学技术大学纳米学院硕士生黄利鹏为文章共同第一作者，通讯作者为苏州纳米所陈小连、苏文明研究员，北京航空航天大学李宇航教授和苏州纳米所崔铮研究员。该工作获得国家自然科学青年基金、江苏省青年基金和中国博士后项目的资助。
　　论文链接 ：https://doi.org/10.1002/admt.202201406
       文章来源：苏州纳米所
      苏文明，研究员，湖南人，2001-2007年中科院长春光机物理所硕博连读，主要从事OLED发光器件研究。2008年加入中科院苏州纳米所，主要从事印刷发光显示材料与器件、柔性薄膜封装、印刷柔性电路与金属网格透明导电膜等方面的研究。长期以应用需求为导向，聚焦于产业瓶颈技术，致力于印刷电子技术的产业化应用研究，与华为、TCL、欧菲光、维信诺、京东方、出光兴产等企业建立了紧密的项目合作关系，承担了多项国防项目任务。2013年入选中科院青年创新促进会，先导专项战略A类纳米产业制造子课题负责人，2019年入选地方产业化领军人才；承担及参与国家重点研发计划，国家基金海峡联合项目，江苏省重点研发计划任务，院、地及企业委托各类项目课题或任务共计30余项；累计发表SCI论文80余篇，累计引用1300余次，申请发明专利20项。
       陈小连，2019年毕业于中国科学技术大学，获物理化学博士学位，期间主要从事新型金属网格透明导电膜及其应用研究。2019年7月加入中国科学院苏州纳米所印刷电子技术研究中心，做博士后，继续从事金属网格透明导电膜在可拉伸电极和电磁屏蔽领域的应用研究工作。以第一作者在ACS Appl. Mater. Interfaces、Adv. Electron. Mater.、Adv. Sci.和Scientific Reports等刊物发表论文6篇。目前主持2项研究项目（博士后面上基金和江苏省青年基金）。