AFM邀请综述：如何在大自然中寻找透明导电网络

（华南先进光电子研究院  供稿）

 

近日，Wiley旗下子刊《Advanced Functional Materials》（IF=12）以Nature-Inspired Metallic Networks for Transparent Electrodes (10.1002/adfm.201705023)为题，在线刊发了华南先进光电子研究院先进材料研究所高进伟课题组邀请专题论文。该文章高进伟教授为第一作者、通讯作者，高进伟课题组冼志科硕士研究生参与了该论文撰写，南京大学刘俊明教授、美国波士顿学院Krzysztof Kempa教授、华南师范大学周国富教授为合作作者。

 

透明导电电极，犹如动物之眼，在光电器件中必不可少，例如太阳能电池、显示、智能窗户等。其市场之大，单从触控应用来看，2017年其市场份额高达200多亿美金。掺杂金属氧化物，例如ITO是目前的主流材料，但其关键元素的价格和其本征脆性无法满足现代光电产业的急剧膨胀和柔性可穿戴功能，因此，ITO替代材料应运而生。金属网络电极透明导电材料是众多替代材料中的佼佼者，如何实现金属网络电极可见光透过率、导电性及其机械柔性的高度统一是科学家们奋斗的目标。

 

大自然赋予人类各种优化网络结构，分形结构是其重要的一种，例如起伏不平的山脉，变幻无常的浮云，九曲回肠的河流，纵横交错的枝丫，晶莹剔透的雪花，以及功能齐全的叶脉结构等（图1）。受益于大自然的恩惠，课题组从龟裂现象、叶脉结构、及其蛛丝弹性出发，实现了高性能金属网络透明电极。这些网络电极具有诸多优异特征：例如亚微米、局部无序整体有序、多级分形、高弹性、彩虹效应、超低电阻等，而这些特征正是现代光电器件和设备对透明导电电极苛刻的要求所在。

 

图1 各种分形结构：(a) 大地干裂、(b) 沙漠、(c) 河流、(d) 树冠、(e) 叶脉、(f)血管

该综述以自然仿生金属网络透明电极为主题，系统总结了课题组在金属网络技术仿生设计方面的进展。首先讨论了龟裂模板法的设计思路，从磁控溅射金属网络层到全湿法技术实现亚微米金属网络；然后讨论了仿生树叶和蛛丝网络结构制备金属网络透明电极，重点论述了仿生树叶的输运特征对透明电极光电性能的影响机制、蛛丝网络结构对金属网络电极柔性特征的影响；最后介绍了其他仿生法，例如气泡边界模板、咖啡环效应、晶体自组装等技术，并从工艺到电极性能做了比较和讨论；综述最后了自然仿生金属网络透明电极的应用方向，对未来透明电极设计提出了较为具体的设计方向和思路。

 

图2 Advanced Functional Materials 邀请综述Thumbnail图片 

值得一提的是，近期该课题组依托广东省透明导电薄膜材料工程技术研究中心，将团队首创技术“龟裂网络透明导电电极技术”从实验室创新推向了工业化试验阶段。该金属网络电极R2R卷材性能：金属线宽为0.5－50微米可调，线间距为10－100微米可调；透光性80~90%，表面电阻0.03-20 ohm/sq可调, 同时该电极具有很好的可绕性和环境稳定性；价格约为ITO电极成本的40~20%，具有很强的市场竞争力（图3）。

 

图3 (a)亚微米金属网络电极中试线，(b)中试金属网络电极卷材展示

 

值此文online之际，感谢课题组7年来各位从事透明电极研究人员的坚持、感谢良师益友的明灯和援手、感谢广东省科技厅重大专项、国家科技部重大研发专项等项目的支持。

 

拟稿人：冼志科、高进伟                          审核人：陈必华