可印刷透明導電薄膜及其柔性電子器件應用

印刷電子技術是一項通過印刷方式實現光電子器件制備的技術，在開發低成本、大面積、柔性化光電器件方面展現出巨大的優勢。作為光電子器件的關鍵部件，透明導電薄膜至關重要，廣泛應用于信息顯示、固體照明、光電轉換等光電子產品（例如，有機發光二極管、觸摸屏、電子書、電子紙、有機太陽電池等）。氧化銦錫（ITO）是目前使用*廣泛的透明導電薄膜。通常采用磁控濺射、真空蒸鍍等方式制膜，工藝復雜、條件苛刻，而且面臨資源稀缺、生產成本高等問題。特別是，近年來隨著柔性電子的快速發展，對透明電極提出了新的要求，如高柔性、輕薄便攜等；ITO質脆易折極大限制了其更廣泛應用。設計開發新型透明導電薄膜并實現簡單快速大面積低成本制備凸顯為亟待解決的關鍵科學技術問題。將印刷電子技術與新型透明導電材料（例如，銀納米線、銀網格、石墨烯、碳納米管、導電聚合物等）相結合，可為低成本、大面積、柔性化透明導電薄膜的制備提供新的解決方案。*近，南京郵電大學黃維院士、賴文勇教授團隊系統總結了近年來印刷電子技術在發展透明導電薄膜方面的*新研究進展。作者以柔性電子器件應用為導向，分析了印刷方式制備低成本、大面積、柔性化透明導電薄膜的重要性，隨后從印刷墨水的配制、基底處理、圖案化過程、后處理以及典型應用等幾個方面對透明導電薄膜進行了介紹，并對可印刷透明導電薄膜的機遇與挑戰進行了討論。論文**作者為南京郵電大學青年教師李東東博士，該文章發表在Advanced Materials（影響因子：19.791）。

通過印刷方式制備透明導電薄膜，導電墨水的配制是關鍵的一步。墨水的化學組成及其物理性能（如粘度和表面張力）對于實現高質量高精度印刷非常重要。盡管不同的印刷技術需要各不同的墨水流變特性，然而理想的導電墨水通常需具備以下特點：易于制備、價格便宜、分散穩定性好以及電導率高等。本文分別從墨水的組成和墨滴的形成兩個方面對新型導電墨水的配制和印刷質量的提高進行了說明（圖1為幾種典型的導電墨水）。

配制了可印刷的墨水之后，即可通過印刷方式在不同基底上制備透明導電薄膜。但通常導電墨水與基底之間的兼容性較差，所制備的透明導電薄膜在印刷分辨率和基底粘附性方面還不能滿足器件應用的要求。為此，作者分別從印刷分辨率的調節與基底粘附性的改善兩個方面對透明導電薄膜基底的處理過程進行了討論（圖2為基底溫度對印刷分辨率的影響）。隨后，作者對幾種典型導電材料（銀納米線、銀納米顆粒、石墨烯、碳納米管、導電聚合物）的固有性質及其相適應的印刷方式進行了詳細介紹（圖3為銀納米線的印刷方式舉例說明）。

通過印刷過程制備的透明導電薄膜，往往存在表面粗糙度高、電導率低、基底粘附性差等問題，會極大地限制其器件應用。因此，后處理過程必不可少。作者隨后從薄膜的燒結、薄膜轉移以及復合納米結構的構建等角度作了討論，為以上問題提供了可能的解決方案（圖4列出了幾種復合納米結構的構建過程）。作為新型的導電材料，銀納米線、金屬網格、石墨烯、碳納米管、導電聚合物可提供與ITO相比擬的光電性能。更為重要的是，其柔性化與可溶液加工的優勢被視為進一步商業化的主要驅動力。通過結合不同的印刷電子技術，可進一步發揮新型透明導電薄膜的大面積、低成本、連續性批量化生產等優勢。基于此，作者隨后通過舉例概述了透明導電薄膜在太陽電池、有機發光器件、觸摸屏等方面的典型應用（圖5為典型示例），并討論了印刷過程中存在的問題。

圖1. (a)石墨烯墨水，(b) 還原氧化石墨烯墨水；(c)單壁碳納米管墨水，(d) 熱處理和鹽酸浸泡后的單壁碳納米管；(e,f)銀納米線墨水；(g) 活性銀墨水，(h) 印刷在硅襯底上的一維導電銀線陣列；(i) 分散在去離子水和異丙醇中的銀納米線沉降過程。

圖2. (a-f)不同基底溫度下印刷的納米銀線圖案（基底為憎水性氟碳涂覆的硅襯底）；(g-i)不同基底溫度下印刷的納米銀線圖案（基底為聚酰亞胺），(j-m)不同溫度下墨滴的形貌。

圖3. (a) 絲網印刷過程， (b)絲網印刷的銀納米線圖案；(c, d)噴墨打印的銀納米線網絡；(e)銀納米線陣列在毛細管印刷過程中的線性化過程，(f) 不同方向銀納米線結構的暗場光學照片。

圖4.(a,b) 石墨烯與金屬納米線復合薄膜的卷對卷印刷過程及其器件，(c, d) PEDOT:PSS/Ag網格復合透明導電薄膜及相應的超級電容器。

圖5. 可印刷透明導電薄膜幾種典型的應用 (a-c) 太陽電池器件，(d-f)有機發光器件，(g-i) 觸摸屏。

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