让金属网络踢走ITO:从实验室到R2R中试 ——华南先进光电子研究院先进材料研究所高进伟教授课题组在《Advanced Materials Technologies》封面刊出论文

2017-08-28 16:57:10   来源:    点击:

华南先进光电子研究院  供稿

 

8月17日,我校华南先进光电子研究院先进材料研究所高进伟教授课题组在《Advanced Materials Technologies》上以封面形式刊出研究论文《A practical ITO replacement strategy: sputtering-free processing of a metallic nanonetwork》, 这一工作彻底摒弃了传统高真空设备,实现了超高光电性能性能透明导电电极的规模化制备,性能达到表面电阻0.13欧姆、透光率T=86.4%。同时其稳定性和机械性能优越。该工作为金属网络透明电极大规模、大尺寸R2R产业化奠定了基础。第一作者为硕士研究生冼志科和韩兵同学,通讯作者为高进伟教授、Krzysztof Kempa教授、白鹏飞副教授。我校为第一单位,合作单位为南京大学、波士顿学院等。《Advanced Materials Technologies》为《Advnaced Materials》系列子刊,注重创新技术的产业化。

随着移动终端、可穿戴设备、智能家具等新产品兴起,透明、柔性、轻便、大尺寸化、以及低价化已成为这一产业的基本要素。作为这些设备的常用薄膜材料,透明导电电极不仅需要较好的光电性能,机械柔性、大尺寸及其低成本要素也成为必要特性。传统金属氧化物透明导电电极(例如ITO),由于成本高、质脆,其地位不断受到挑战。近年来,各种ITO替代材料与技术蓬勃发展,涌现了许多新型透明导电材料,例如:碳纳米管、石墨烯、导电高聚物、金属纳米线和金属网格电极等。

虽然这些新技术在短时间内可能无法全面替代传统ITO,但它们各自具有独特优势和长处。近年来,应用了新材料和新技术的产业比重逐年提高。在这些新型透明电极中,石墨烯仍然处于研发阶段,距离量产还有较大距离。碳纳米管工业化量产技术尚未成熟,且薄膜性能还未达到传统ITO性能。金属纳米线和金属网络(格)由于诸多优势,是ITO替代材料和技术的主角。

从连续薄膜材料来看,透明与导电是一对矛盾,犹如熊掌和鱼不可兼得。多孔金属薄膜(金属网格)牺牲部分导电性,提高其透光性,为透明导电材料提供了一个重要的解决方案。它们犹如一张无形渔网,肉眼不可见,但相互贯通,即电流可以自由流动。事实上,自然界中各种网络处处可见,如何为其所用,科学家们为此绞尽脑汁。有利用昂贵技术(激光、纳米压印等)实现规则网格者、也有利用自组装技术(泡沫边界、咖啡环效应、结晶边界等)实现无规网格者、更有甚者利用树叶叶脉和蛛丝网络作为模板实现分形和高弹性金属网络者。

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图1  自然界大地干裂,不是什么好事(图片来自网络)

正所谓,科研源于生活而高于生活。科学的灵感离不开日常生活,自然界的美妙是人类无法企及的。向自然学习(仿生学)是科学研究的一个重要分支。龟裂是自然现象,也是材料失效的一个重要原因。大地干裂是一个典型的例子(图1),其完美的裂纹可能是人类无法完全复制的。如果能获得微纳米裂纹,并将导电介质填充于裂纹内,则可实现优异导电网络;去除裂块,可见光即可射入;由此组成了漂亮的金属网络电极结构。2014年,有一篇漂亮的工作正是按照如此思路,制备了亚微米金属网络电极,实现了良好的透明导电性能:透过率90%、电阻小于10欧姆/。该成果发表于《Advanced Materials》上(DOI:10.1002/adma.201302950)(图2)。

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图2  从AM封面(左,2014)走向AMT封面(右,2016/2017):三年一千天,干出一个大写的T(Technology)

哲人云:不好的结构未必就无用,但好的结构总是有用的。有了这一基础,接下来需要考虑的即是其应用出口。为适应应用于太阳能电池和显示等电流源器件,电极具有极低的表面电阻不仅可以降低能耗,而且能显著提高器件转化效率和使用寿命。制备电极的方法还要便宜方便,任何阳春白雪的计谋都是赵括谈兵。为此,发展低成本、超低表面电阻透明电极尤其重要。

电镀是一种廉价的技术手段,可以实现很低的表面电阻。2016年的一项工作很好地结合真空镀膜技术和电镀技术,实现了超低表面电阻的金属网络电极《Advanced Materials Technologies》(DOI:10.1002/admt.201600095)。利用电极的ribbon效应,在不降低电极透射率的前提下,电极电阻显著降低,非常适合于太阳能电池、大功率LED等光电器件应用上。

找到了应用出口只是到了遵义,能不能真的走向应用依然有万水千山。一个好的成果当然绝不仅仅停留在实验室,如何产业化以推动工业的发展、造福人类,才是研究工作的目的。我们的目标很简单:就是用金属网络电极踢走ITO!

实现应用有两个关键因素:市场容量和规模生产的成本竞争。传统的金属沉积方法均依赖于高真空设备,如磁控溅射、热蒸镀等。此等技术成本高昂,难以铺张。为降低设备成本,提高效益,液相法R2R是终极目标。最近,一项以A practical ITO replacement strategy: sputtering-free processing of a metallic nanonetwork为题的工作作为《Advanced Materials Technologies》(DOI: 10.1002/admt.201770036)封面刊出(图2)。这一工作彻底摒弃了传统高真空设备,实现了超高光电性能性能透明导电电极的规模化制备,性能达到表面电阻0.13欧姆/、透光率T=86.4%。同时其稳定性和机械性能优越。该工作为金属网络透明电极大规模、大尺寸R2R产业化奠定了基础。

上述思路构成了金属网络作为透明导电电极材料研发战略的学术思路和技术路线图。过去七年,华南师范大学华南先进光电子研究院先进材料研究所高进伟教授课题组联合波士顿学院、南京大学等单位,正是基于这一思路进行了广泛探索,经历的酸甜苦辣自知,但最终取得了一些成果。如上所述,他们从2014年在《Advanced Materials》封面刊出第一篇文章,而后分别在2016、2017年连续在《Advanced Materials Technologies》刊出两篇文章(其一封面刊出),实现了从Science到Real technology的转化。这一战略也是这两个期刊主旨所在,《Advanced Materials》注重创新,而《Advanced Materials Technologies》则着重将科学转化为现实技术。现如今,一条宽0.8米的卷对卷(R2R)金属网络电极生产线已在华南师范大学中试生产(图3),所制产品成本因素与性能技术俱佳,走向市场的征兆明显!

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图3  金属网络电极R2R中试线及其样品

诸子孰多无遗力,金属网络终有成。最后,感谢参与这一系列工作诸位同学(韩兵、裴颗、黄苑林、彭强、李若朋、李松茹、冼志科、凌桂林、郑明智等),感谢各位同行师长的支持,感谢广东省重大专项、创新团队项目、国家科技部纳米科技重点专项的支持。同时感谢重大专项合作企业深圳市星国华先进装备科技有限公司在中试设备方面的大力支持。虽然最终批量产销产品依然有诸多问题,但后继之路却是坦荡。

 

拟稿人:冼志科              审核人:陈必华