印刷透明碳纳米管光电薄膜及其在光电器件中的应用制造技术

本发明专利技术属于光电材料与器件领域，具体公开了一种印刷透明碳纳米管光电薄膜及其在光电器件中的应用。本发明专利技术印刷透明碳纳米管光电薄膜中的碳纳米管采用的是尿素或臭氧处理，可以显著提升碳纳米管的光电响应特性；与常规的酸处理和加入表面活性剂的处理碳纳米管的方法相比，不仅可提升性能，而且可以避免腐蚀器件，增加器件可靠性。本发明专利技术印刷透明碳纳米管光电薄膜具有更高的光电响应性能，可作为光电材料用于制备光电器件，例如电致变色或远红外成像光电器件，包括近红外激光设备、红外通讯设备、电致变色智能窗等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电材料与器件领域，具体涉及一种印刷透明碳纳米管光电薄膜及其在光电器件中的应用。
技术介绍
目前在电致变色智能窗领域，电致变色薄膜材料由于其节能和环保等特性，已经得到了广泛应用。电致变色薄膜材料结构主要包括透明电极层和电致变色薄膜，影响性能的主要是电致变色层的材料和结构因子。电致变色薄膜材料主要体系为氧化钨、氧化镍和氧化钒等。相变机制是电致变色材料变色的主要原因，故其存在响应慢和失效等问题。当前电致变色材料具有光电性能，有一定的透光率和吸收率的变化。碳纳米管光电薄膜，可在在特定波长下实现电致变色性能，其电致变色原理为电控费米面改变，具有极高的响应速度。制备碳纳米管透明导电薄膜的一种方法是在水溶液中制备分散性良好的碳纳米管悬浊液，然后通过超声离心控制其中的碳纳米管浓度，最后使用印刷等方式在衬底上涂覆碳纳米管分散液，制备透明碳纳米管光电薄膜。碳纳米管分散的常用的方法有酸处理和表面活性剂方法。其中酸处理法改变碳纳米管表面的功函数、极化强度等电学性能，通常会形成表面的P型杂化状态，不利于碳纳米管电致变色器件的性能优化；同时，酸处理成本较高，还会引入腐蚀性处理废液，不利于工业生产和制备。另一方面，使用表面活性剂会在碳纳米管表面形成一层绝缘性的包覆层，会降低碳纳米管薄膜的导电性和电学响应性能。
技术实现思路
为了提高碳纳米管的光电响应能力，制备性能优异的碳纳米管电致变色光学调控器件，本专利技术的首要目的在于提供一种印刷透明碳纳米管光电薄膜。本专利技术主要针对电致变色或远红外成像光电器件，尤其是针对类电致变色智能窗光电器件提出一种新材料、新设计，能够进一步优化器件结构、提升器件性能。本专利技术的另一目的在于提供上述印刷透明碳纳米管光电薄膜在光电器件中的应用。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种印刷透明碳纳米管光电薄膜，其通过以下步骤制备得到：将羧酸官能化的碳纳米管加入到尿素水溶液中，其中羧酸官能化的碳纳米管与尿素水溶液的比例为50mg/L～1g/L；然后进行超声分散，再将分散液离心处理，最后将混合溶液(离心后会使大部分分散不完全的团聚碳管沉淀下来，混合溶液是指去除这部分沉淀碳管后的含有分散性良好碳管的溶液)印刷在衬底(例如石英等)上，制得所述印刷透明碳纳米管光电薄膜。在尿素处理工艺中，我们采用了羧酸官能化的碳纳米管，是为了在碳纳米管表面形成OH官能团以枝接尿素分子。尿素分子可在官能化的碳纳米管表面附着，从而形成N型杂化的官能团。这种亲水性的官能团可有效改善碳管在水溶液中的分散性能，与传统的酸处理和表面活性剂处理相比具有以下优势：成本较低；无腐蚀性，处理后碳管表面杂质较少，不影响薄膜的导电性；实现表面N型杂化(N-doping)，有利于降低控制电压。所述超声分散优选为采用50W功率超声30分钟以上，充分分散碳纳米管并促进碳纳米管和尿素的反应。所述离心处理的转速优选为9000rpm～15000rpm，离心时间可为30～90分钟。所述尿素水溶液的质量百分比为1％。一种印刷透明碳纳米管光电薄膜，其通过以下步骤制备得到：将碳纳米管加入水中，其中碳纳米管与水的比例为50mg/L～1g/L；然后进行超声分散，分散液离心处理，再将混合溶液印刷在衬底(例如石英等)上，得到薄膜，最后将薄膜进行臭氧处理，制得所述印刷透明碳纳米管光电薄膜。通过臭氧处理也能够在碳纳米管表面形成相应的OH官能团。同时，臭氧处理还有可能将其中的金属型碳纳米管去除，由于金属型碳纳米管的电致变色光电响应要远远小于半导体型碳纳米管，因此，臭氧处理还可以提高碳纳米管薄膜的光电响应性能。碳纳米管臭氧处理具有以下效果：去除金属型碳纳米管；在碳纳米管表面实现OH官能化，方便后续进行尿素处理；可通过处理参数控制碳管薄膜电阻与透光率。所述臭氧处理时间优选为10～50分钟。所述超声分散优选为采用50W功率超声30分钟以上，优选40分钟。所述离心处理的转速优选为9000rpm～15000rpm，离心时间可为30～90分钟；优选在12000rpm处理1小时。上述印刷透明碳纳米管光电薄膜具有更高的光电响应性能，可作为光电材料用于制备光电器件，例如电致变色或远红外成像光电器件，包括近红外激光设备、红外通讯设备、电致变色智能窗等。一种印刷碳纳米管材料光电器件，该光电器件含有上述印刷透明碳纳米管光电薄膜。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点及有益效果：本专利技术印刷透明碳纳米管光电薄膜中的碳纳米管采用的是尿素或臭氧处理，可以显著提升碳纳米管的光电响应特性；与常规的酸处理和加入表面活性剂的处理碳纳米管的方法相比，不仅可提升性能，而且可以避免腐蚀器件，增加器件可靠性。本专利技术首先使用传统栅极绝缘层材料实现全固态的碳纳米管电致变色装置。其控制电压小于5V，响应时间可达微秒量级，远远小于现有基于氧化还原化学反应原理的电致变色器件(响应时间量级为秒)。附图说明图1为尿素处理碳纳米管原理示意图。图2为实施例1制备印刷透明碳纳米管光电薄膜的工艺流程图。图3为实施例1制得的印刷透明碳纳米管光电薄膜的SEM照片。图4为采用尿素处理后的碳纳米管TEM照片(左)和采用传统表面活性剂处理后的碳纳米管TEM照片(右)。图5为对碳纳米管薄膜进行臭氧处理前(左)后(右)的SEM照片对比。图6为不同密度印刷透明碳纳米管光电薄膜在进行不同时间臭氧处理后的导电性与透光性能的改变，其中：(A)-涂附后的碳管薄膜面密度为0.02mg/cm2，(B)-涂附后的碳管薄膜面密度为0.035mg/cm2，(C)-涂附后的碳管薄膜面密度为0.05mg/cm2。图7为碳管电致变电光电器件结构及透光率测试示意图，图中：1-激光器，2-氮化硅，3-氧化铟锡，4-衬底，5-光探测器。图8为红外UV测试结构及光斑位置示意图，图中：1-印刷碳纳米管薄膜，2-激光光斑，3-金电极，4-ITO玻璃基板，4-氮化硅。图9为不同处理工艺后的印刷碳纳米管薄膜的光电响应性能对比，其中：(A)-未经处理的纯碳管的总透光率变化，(B)-经臭氧和尿素处理后的纯碳管的总透光率变化。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1中的碳纳米管采用CarbonSolutions公司提供的经过羧酸官能化的单壁碳纳米管粉末。实施例2中的碳纳米管采用CarbonSolutions公司提供的CVD生长的羧酸官能化单壁碳纳米管粉末。实施例1通过以下步骤制备印刷透明碳纳米管光电薄膜(如图2所示)：将羧酸官能化的碳纳米管(购于CarbonSolutions公司)加入到质量百分比为1％的尿素水溶液中，其中羧酸官能化的碳纳米管与尿素水溶液的比例为1g/L；然后进行超声分散(50W、30分钟以上)，再将分散液离心处理(9000rpm～15000rpm，30～90分钟)，最后将混合溶液印刷在衬底(例如石英等)上，制得印本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种印刷透明碳纳米管光电薄膜，其特征在于，所述印刷透明碳纳米管光电薄膜通过以下步骤制备得到：将羧酸官能化的碳纳米管加入到尿素水溶液中，其中羧酸官能化的碳纳米管与尿素水溶液的比例为50mg/L～1g/L；然后进行超声分散，再将分散液离心处理，最后将混合溶液印刷在衬底上，制得所述印刷透明碳纳米管光电薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种印刷透明碳纳米管光电薄膜，其特征在于，所述印刷透明碳纳米管
光电薄膜通过以下步骤制备得到：将羧酸官能化的碳纳米管加入到尿素水溶液
中，其中羧酸官能化的碳纳米管与尿素水溶液的比例为50mg/L～1g/L；然后进行
超声分散，再将分散液离心处理，最后将混合溶液印刷在衬底上，制得所述印
刷透明碳纳米管光电薄膜。
2.根据权利要求1所述的印刷透明碳纳米管光电薄膜，其特征在于，所述
超声分散为采用50W功率超声30分钟以上。
3.根据权利要求1所述的印刷透明碳纳米管光电薄膜，其特征在于，所述
离心处理的转速为9000rpm～15000rpm，离心时间为30～90分钟。
4.根据权利要求1所述的印刷透明碳纳米管光电薄膜，其特征在于，所述
尿素水溶液的质量百分比为1％。
5.一种印刷透明碳纳米管光电薄膜，其特征在于，所述印刷透明碳纳米管
光电薄膜通过以下步骤制备得到：...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁洪龙，朱峰，陶瑞强，胡诗犇，姚日晖，兰林锋，王磊，徐苗，邹建华，陶洪，彭俊彪，吴为敬，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44