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Small Methods: 基於石墨烯的透明導電薄膜:材料體係、製備方法及應用

近年來,與人類生活密切相關的各種光電器件,如有機發光二極管(OLEDs)、有機太陽能電池(OSCs)、場效應晶體管(FETs)、智能窗及觸控屏等等,其發展日新月異。這對光電器件中的重要組成部分透明電極提出了新的性能要求——柔性、可拉伸性、能量效率及生產經濟性等。目前,應用最廣泛的透明電極材料是氧化銦錫(ITO),但是ITO的一些固有缺陷,如對稀有金屬銦的需求、受限的製備條件以及在酸堿環境中的不穩定性等,限製了其進一步發展。為了滿足光電器件發展的需求,研發新型的透明電極材料成了當務之急。在眾多新材料中(碳納米管、金屬納米材料及導電聚合物等),石墨烯具有高導電性、高透光率、出色的柔韌性以及優異的化學及熱穩定性。因此,基於石墨烯的透明導電薄膜在光電領域中具有極大的發展潛力。然而,在實際應用過程中由於缺陷、褶皺以及含氧基團的存在等原因,石墨烯類透明導電薄膜並不能充分發揮石墨烯應有的性能。因此,針對石墨烯類透明導電薄膜的研究主要集中於在保持薄膜高柔韌性及穩定性的同時,提高薄膜的光電性能。

國家納米科學中心智林傑團隊長期致力於新型石墨烯類透明導電薄膜的製備及應用研究,針對此領域中關鍵的科學與技術問題,開展了係統深入的研究,取得了係列成果,特別是在基於石墨原材料的還原氧化石墨烯(rGO)類透明導電薄膜的製備及應用領域,做出了一係列原創性工作。在rGO類透明導電薄膜製備方麵,提出了多種綠色高效的規模化製備方法(Small,2012;Advanced Materials,2012;Journal of Materials Chemistry A,2014;Advanced Materials,2017;);針對石墨烯類透明導電薄膜的實際應用,提出並實現了一種新型的卷對卷規模化生產工藝(Advanced Materials,2017),並搭建了基於此工藝的中試線;在石墨烯複合材料類透明導電薄膜方麵,發展了石墨烯/納米碳複合材料透明導電薄膜(Journal of Nanoscience and Nanotechnology,2013)石墨烯/金屬網複合膜(Carbon,2015)等新型複合結構。在石墨烯類透明導電薄膜應用方麵,基於這些新型的透明導電薄膜製備了柔性觸摸屏(Advanced Materials,2012)、電致變色智能窗(Small,2012;Carbon,2015;Advanced Materials,2017)、染料敏化太陽能電池(Nano Letters,2008)及高性能透明電極(Journal of Materials Chemistry A,2014)等一係列性能出色的新型光電器件。

Small Methods: 基於石墨烯的透明導電薄膜:材料體係、製備方法及應用

圖一、基於石墨烯的透明導電薄膜的材料體係及應用領域

因在石墨烯類透明導電薄膜領域長期的工作積累,近期智林傑研究員團隊受邀為Small Methods雜誌撰寫相關綜述:“Graphene‐Based Transparent Conductive Films: Material Systems, Preparation and Applications”。該文章從石墨烯類透明導電薄膜的製備材料入手綜述了此領域國內國際最新研究進展。文章首先係統地總結了此類薄膜的材料體係、製備方法以及在光電領域中的應用(圖一),並比較了不同種類的石墨烯透明導電薄膜的性能(圖二)和優缺點,並對此領域中存在的問題及相應的解決方法進行了討論,對此類薄膜的發展前景進行了展望。

Small Methods: 基於石墨烯的透明導電薄膜:材料體係、製備方法及應用

圖二、不同石墨烯類透明導電薄膜的光電性能對比

此綜述於2018年10月15日在Small Methods雜誌上在線發表(https://doi.org/10.1002/smtd.201800199)。論文的第一作者是國家納米科學中心的馬英傑助理研究員,通訊作者是智林傑研究員

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