透明導(dǎo)電薄膜（TCF）作為一種重要的光電材料，在觸控屏、平板顯示器、光伏電池、有機發(fā)光二極管等電子和光電子器件領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。目前，氧化銦錫（ITO）是工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的透明導(dǎo)電薄膜材料。常用的ITO制備工藝涉及高溫高真空的耗能且工藝復(fù)雜。另外，ITO是脆性金屬氧化物且銦資源稀缺，越來越難以滿足科技發(fā)展的需求，特別是針對新一代柔性電子器件。單壁碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，因此被認(rèn)為是最具競爭力的柔性透明導(dǎo)電材料的候選材料之一。碳納米管透明導(dǎo)電膜的制備方式主要分為濕法和干法兩種。濕法是指將碳納米管分散在合適的溶劑中，通過抽濾、浸涂、噴涂、旋涂等方法沉積在相應(yīng)基底上；干法是指直接通過化學(xué)氣相沉積(CVD)生長碳納米管薄膜或者由碳納米管陣列拉絲成薄膜。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實驗室A05組長期致力于碳納米結(jié)構(gòu)的制備、物性與應(yīng)用基礎(chǔ)研究。該課題組研究人員發(fā)展出一種新的連續(xù)直接制備大面積自支撐的透明導(dǎo)電碳納米管（CNT）薄膜的方法——吹脹氣溶膠法（BACVD），并申請了發(fā)明專利?；贐ACVD，CNT TCFs的產(chǎn)量可達(dá)每小時數(shù)百米且碳轉(zhuǎn)化率（從碳源轉(zhuǎn)化到CNT的比率）可超過10%，比傳統(tǒng)浮動催化化學(xué)氣相沉積法（FCCVD）制備CNT TCFs的相應(yīng)指標(biāo)高出3個數(shù)量級。

圖1 CNT薄膜的連續(xù)制備（左）和收集（右）

BACVD是在吹塑薄膜制備工藝和浮動催化化學(xué)氣相技術(shù)啟發(fā)下發(fā)展出來的，其機理是利用特殊的CNT合成反應(yīng)器，在FCCVD法制備CNT的過程中，實現(xiàn)“吹泡”的過程。具體制備過程包括兩步，首先穩(wěn)定吹脹CNT的氣溶膠膜泡，然后通過CNT生長過程中CNT長度的增加將氣溶膠膜泡“固化”為氣凝膠。最后CNT透明導(dǎo)電薄膜隨著載氣從反應(yīng)器末端噴出。研究團隊深入研究了制備的過程，給出了BACVD法的廣義相圖。根據(jù)具體的制備條件，相圖分為四個區(qū)域，分別對應(yīng)不同的產(chǎn)物。該相圖對于進(jìn)一步理解BACVD和薄膜性能提升具有指導(dǎo)意義。另外，該方法可在無氫氣的條件下實現(xiàn)薄膜的合成，意味著制備過程安全且高效。所制備透光率90%的薄膜，經(jīng)過簡單的摻雜，面電阻約40 ohm/sq，表現(xiàn)出優(yōu)良的光電性能。針對BACVD 所制備的超薄CNT薄膜，研究人員設(shè)計了“卷式 (roll) ”收集裝置，實現(xiàn)了薄膜的連續(xù)在線收集。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Advanced Materials上。

圖2 BACVD 方法相圖（左），不同條件所制備CNT樣品的性能對比（中），BACVD法與傳統(tǒng)FCCVD法制備CNT透明導(dǎo)電薄膜的產(chǎn)量及碳轉(zhuǎn)化率的對比（右）。

圖3 BACVD 法制備CNT薄膜的性能和微觀形貌：透光率與面電阻（左上），穩(wěn)定性（右上），掃描電子顯微鏡（左下）和透射電子顯微鏡（右下）圖像。

除CNT TCFs，研究團隊還利用該方法進(jìn)行了高導(dǎo)電、高強度纖維的研究。將所制備筒狀薄膜通過液態(tài)皺縮劑可直接轉(zhuǎn)化為連續(xù)的CNT纖維。然后，通過酸處理，纖維性能得到大幅提升。特別是氯磺酸處理后，纖維的強度達(dá)到2 GPa，同時電導(dǎo)率達(dá)到4.3 MS/m。相關(guān)研究發(fā)表在Chinese Physics B上。BACDV法作為一種新制備CNT薄膜的方法，在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中都有重要意義。該工作提出了一種新的CNT宏觀體的構(gòu)筑思路——首先利用氣流輔助實現(xiàn)對短CNT氣溶膠特定形態(tài)的構(gòu)筑，然后結(jié)合CNT的合成，利用碳管長度的持續(xù)增加，實現(xiàn)氣溶膠的固化。此外，超高的產(chǎn)量和碳轉(zhuǎn)化率對CNT的產(chǎn)業(yè)化具有重要意義，特別是對于CNT作為透明導(dǎo)電薄膜、電極和纖維等“工程材料”。

圖4 CNT纖維的連續(xù)制備與收集（左）及其宏觀（中）與微觀（右）形貌

該工作得到科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（A類）等的支持。

責(zé)任編輯：lq