一种基于非匀质杨氏模量矩阵结构的类肤质可拉伸透明电极及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种基于非匀质杨氏模量矩阵制备类肤质可拉伸透明电极的方法，属于柔性电子领域。非匀质杨氏模量聚合物矩阵赋予了纳米线导电网络更好的机械稳健性，改善了可拉伸电极的表面粗糙度和界面浸润性。该方法包括：调整基底表面能；纳米线导电网络薄膜的制备；纳米线导电网络薄膜图案化处理；非匀质杨氏模量聚合物矩阵的材料筛选与制备；可拉伸透明电极剥离转移等步骤。该方法采用全溶液进程，操作简便，加工温度低，易于图案化处理，基于此种方法获得的可拉伸电极可应用于高性能柔性光电器件中，满足柔性可穿戴器件对可拉伸透明电极的基本需求，展现出巨大的实用价值。展现出巨大的实用价值。展现出巨大的实用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非匀质杨氏模量矩阵结构的类肤质可拉伸透明电极及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于柔性电子领域，涉及一种基于非匀质杨氏模量矩阵结构的类肤质可拉伸透明电极。

技术介绍

[0002]柔性电子以及柔性电子产业为科技注入了创新活力，在健康医疗、信息、军事、能源等诸多领域展现出巨大的应用前景，其柔软、便携等特性为人们带来了更为舒适的生活体验，也促进了相关产业的快速发展，开拓了更为广阔的市场空间。其中，可拉伸透明电极作为柔性电子元器件单元的重要组分，能够在拉伸、扭曲、弯折等机械状态下保持良好的导电能力，并且具备高光透过率，广泛应用于OLED、太阳能电池、场效应晶体管、柔性电路、可穿戴传感器等光电器件，特别是在生物医疗领域，可拉伸透明电极的市场需求日益增长，为实时监控人体的各项生命体征提供信号传导基础，对预防医学和康复医学有着重要意义，是柔性电子领域中的研究前沿与热点。
[0003]可拉伸透明电极通常由透明高导电材料与弹性聚合物组成，常见的透明高导电材料有石墨烯、碳纳米管、导电聚合物、银纳米线、铜纳米线、金属纳米粒子、金属网格、导电聚合物等。导电材料的形状和尺寸对可拉伸电极的电学(渗流阈值)和机械性能(杨氏模量)都有着决定性影响，由于导电路径通常在薄而长的纳米材料中更易建立起来，因此大部分的可拉伸电极通常基于金属纳米线、碳纳米管、导电聚合物等材料形成的纳米线导电网络。其中，金属纳米线因其高透过率(＞80％)、优异导电性(10
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100Ω
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1) 以及良好的机械柔性受到广泛关注(ACS Nano,2013,6,7185
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7190.)，可溶液加工的特性更是简化了加工手段，降低了制备成本，被认为是最具有竞争潜力的透明导电材料。然而在实际应用中，金属纳米线电极存在表面粗糙度大、与衬底之间弱附着性差、迟滞现象等问题(ACS Nano,2014,8,5154
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5163.)，这也直接影响了相关柔性器件的基本性能，有待进一步研究并加以解决。
[0004]可拉伸透明电极中的另一重要组分——弹性聚合物，是实现器件与物体表面软接触的直接界面，因此杨氏模量匹配也是需要考虑的一个重要因素，PDMS、PU、TPU是在可拉伸电极中使用较为频繁的矩阵材料 (Adv.Mater.2019,31,1904765.)。其中，聚合物PDMS的杨氏模量更加接近人体皮肤，在超薄状态下具有良好的机械柔性和延展性，具有无毒、生物可兼容、透明度高等优势。Liou等人(Adv.Optical.Mater. 2019,7,1900632.)将AgNW分散液喷涂在PDMS表面，制得了光透过率87％、方块电阻16Ω
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‑1的透明可拉伸电极，但是由于PDMS的表面能低，银纳米线乙醇分散液液滴会在其表面形成大的收缩环，形成不连续的导电网络，虽有利于提高光透过性，但是不利于图案化加工以，也难以应用于对界面均一性要求严格的柔性器件领域。此外，PDMS化学稳定性差，遇氯仿、甲苯等常见化学溶剂会发生溶胀现象，在柔性器件应用过程中常面临在其表面成膜困难等问题，限制了实际应用。
[0005]可拉伸透明电极是实现柔性光电器件的关键一步，其透过率、导电性、机械稳健性以及界面性质直接影响柔性器件的基本性能，相比于能够实现单一弯曲形变的柔性透明电
极，可拉伸透明电极的研究进展相对滞后，仍缺少有效的技术手段解决其在高性能柔性光电器件中的应用问题。

技术实现思路

[0006]基于当前研究背景以及可拉伸透明电极在实际应用中所面临的挑战性问题，本专利技术的目的是提供一种基于非匀质杨氏模量矩阵结构制备类肤质可拉伸透明电极的方法，用以改善电极的机械性稳健性、表面粗糙度以及界面性质。
[0007]本专利技术提供了一种内嵌于非匀质杨氏模量矩阵结构的可拉伸透明电极，该非匀质杨氏模量矩阵结构由高杨氏模量柔性聚合物和低杨氏模量弹性聚合物组成，高杨氏模量的柔性聚合物用于增强电极结构抵抗形变的能力，提高电极的断裂伸长量，改善机械稳健性，以及调整界面浸润性；低杨氏模量的弹性聚合物可实现器件的可形变性以及与不规则表面的无褶皱贴合。具体高杨氏模量柔性聚合物可为交联聚乙烯醇 (C
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PVA)，具体低杨氏模量弹性聚合物可为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
[0008]上述说明中，所有材料可从各种公开途径获得。
[0009]所述交联聚乙烯醇中，交联剂为戊二醛，聚乙烯醇(PVA)在水分散液中的体积浓度为4％，PVA水溶液与交联剂戊二醛的体积比为40：1。
[0010]一种基于非匀质杨氏模量矩阵结构的类肤质可拉伸透明电极的制备方法，包括以下步骤：
[0011]步骤一：调整基底表面能；
[0012]步骤二：在基底表面制备纳米线导电网络薄膜；
[0013]步骤三：纳米线导电网络薄膜电极图案化；
[0014]步骤四：在纳米线导电网络薄膜上依次制备高杨氏模量柔性聚合物和低杨氏模量弹性聚合物薄膜，将纳米线导电网络薄膜内嵌于由高杨氏模量柔性聚合物和低杨氏模量弹性聚合物所组成的非匀质杨氏模量矩阵结构中，形成可拉伸透明电极；
[0015]步骤五：将内嵌于非匀质杨氏模量矩阵中的可拉伸透明电极从衬底上转移下来，即得。
[0016]进一步地，步骤一中，所述基底为玻璃、硅片、石英、金属、陶瓷、塑料中的一种；
[0017]所述调整基底表面能，具体调整方法为等离子体处理、单分子层修饰、引入低表面能界面层中的一种或几种方法的复合使用。
[0018]进一步地，步骤二中，所述纳米线导电网络薄膜所用材料为金属纳米线、碳纳米管、导电聚合物中的任意一种或多种材料的复合物；所述金属纳米线为金纳米线、铜纳米线或银纳米线；
[0019]所述制备纳米线导电网络薄膜的制备方法为旋涂、刮涂、喷涂、喷墨打印中的任意一种。
[0020]进一步地，步骤三中，所述电极图案化，针对不同纳米线导电材料，电极图案化进程通过掩膜法、干法刻蚀、打印、胶带剥离、湿法刻蚀、光刻中的任意一种或交叉使用来实现。
[0021]进一步地，步骤四中，所述非匀质杨氏模量矩阵结构，高杨氏模量柔性聚合物位于导电材料与低杨氏模量弹性聚合物之间；
[0022]所述高杨氏模量柔性聚合物，其柔性聚合物材料为聚对二甲苯、聚乙烯醇、交联聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚萘二甲酸乙二醇酯、树脂塑料中的任意一种。
[0023]所述低杨氏模量弹性聚合物为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)、热塑型聚氨酯(TPU)、苯乙烯
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乙烯
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丁烯
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苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)中的任意一种。
[0024]进一步地，步骤五中，所述内嵌于非匀质杨氏模量矩阵中的可拉伸透明电极，导电材料内嵌于柔性聚合物和弹性聚合构成的非匀质杨氏模量矩阵中。
[0025]本专利技术所述可拉伸透明电极应用于在太阳能电池、场效应晶体管、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非匀质杨氏模量矩阵结构的类肤质可拉伸透明电极，其特征在于，其电极结构包含纳米线导电网络和非匀质杨氏模量矩阵，所述非匀质杨氏模量矩阵由高杨氏模量柔性聚合物和低杨氏模量弹性聚合物组成；所述纳米线导电网络内嵌于由柔性聚合物和弹性聚合构成的非匀质杨氏模量矩阵中。2.根据权利要求1所述基于非匀质杨氏模量矩阵结构的类肤质可拉伸透明电极，其特征在于，所述纳米线导电网络材料为金属纳米线、碳纳米管、导电聚合物中的任意一种或多种材料的复合物；所述金属纳米线为金纳米线、铜纳米线或银纳米线。3.根据权利要求1所述基于非匀质杨氏模量矩阵结构的类肤质可拉伸透明电极，其特征在于，所述非匀质杨氏模量矩阵结构，高杨氏模量柔性聚合物位于导电材料与低杨氏模量弹性聚合物之间。4.根据权利要求1所述基于非匀质杨氏模量矩阵结构的类肤质可拉伸透明电极，其特征在于，所述高杨氏模量柔性聚合物，其柔性聚合物材料为聚对二甲苯、聚乙烯醇、交联聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚萘二甲酸乙二醇酯、树脂塑料中的任意一种或多种复合物。5.根据权利要求1所述基于非匀质杨氏模量矩阵结构的类肤质可拉伸透明电极，其特征在于，所述低杨氏模量弹性聚合物为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)、热塑型聚氨酯(TPU)、苯乙烯
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乙烯
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丁烯
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苯乙烯嵌段共聚物(SEBS)中的任意一种或多种复合物。6.权利要求1中所述的可拉伸透明...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄飞，崔楠，张凯，董升，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：