【复合信息】A3面积，米级长度！新型软碳纳米薄膜

2024-05-08

透明导电膜在现代技术中（TCF）它是许多电子、光电、能源等设备的重要组成部分。在这些氧化物中（ITO）由于其优异的透明导电性能，已成为工业生产的主流。但是，ITO是一种不可再生能源，而且价格昂贵，ITO固有的脆性更是使其难以应用于软可穿戴设备的日益发展。现在，已经开发了一种透明的导电材料，如碳纳米薄膜、金属纳米线、导电聚合物等。在这些材料中，碳纳米薄膜被认为是最有前途的替代材料之一，因其具有优良的电学和光学特性、柔软性和优异的稳定性，以及未来军事应用和航空航天领域迫切需要的轻、抗辐照、超抗疲劳等特点。但是，实现软透明导电膜广泛应用的前提不仅要求其质量高，而且要能够大规模甚至大规模制备。

为了实现这一目标，中国科学院物理研究所周维亚研究员指导博士生岳盈开发了一种新颖的模型驱动碳纳米管网络重组方法（FD-CNNR），用于制备大规模软性自支撑碳纳米透明导电膜，协同提高重组膜的力学强度、透光率和电导率，其面积可达A3尺寸，长度可达米级。在此基础上，设计并构建了一种新型的软智能窗口。以“相关工作”为基础。Large-area Flexible Carbon Nanofilms with Synergistically Enhanced Transmittance and Conductivity Prepared by Reorganizing Single-walled Carbon Nanotube Networks"问题出现了《Advanced Materials》上。

/ 通过协同提高碳纳米薄膜的透明导电性和机械性能。 /

目前，大多数行业认为应用于智能窗口、触摸屏、可穿戴设备等的TCF应保持85%以上的透光率，TCF面电阻在实际应用中应低于100%。 Ω/sq。使用FD-CNNR方法制备的A44-c图1a-c、大尺寸A3，大尺寸自支撑重组碳纳米薄膜照片，长度为米级，薄膜厚度只有几十纳米，自支撑地漂浮在水面上。对于独立石墨烯（G），原来的单壁碳纳米管（SWNT），单壁碳纳米管的重组（RSWNT），以及重组碳纳米管-石墨烯（G-RSWNT）检测薄膜的透明导电性能，数据显示在图1d中。RSWNT的制备在90%透光的情况下，TCF表面电阻仅为110。 Ω/sq，G-RSWNT 在86%的透光率下，TCF只有69%。 Ω与原始SWNT相比，/sq表面电阻的导电性能提高了2.3倍，透光率提高了11%，完成了透明导电性能的协同提高。而且， RSWNT TCF 和 G-RSWNT 同时，TCF的力学强度也得到了协同提高，杨氏模量分别为~35和~45。 MPa，大约是原始SWNT-TCF（~5 MPa）8倍(图1e)。

图 1. （a-c）G-RSWNT薄膜照片漂浮在水面上，尺寸分别为1。 m×10 cm，A4尺寸，A3纸尺寸。（d）透射光谱揉面电阻，不同碳纳米薄膜。（e）各种碳纳米薄膜的应力-应变曲线，斜率代表杨氏模量。

/ 模仿驱动重组机制有助于形成大规模的Y型互联网 /

FD-图2a和2b显示了CNNR模式的示意图。SWNT贴合在光滑的铜泊上，在真空中加热。铜和吸附的少量氧气随温度升高而发生表面重构，产生锯齿形的微观结构，称为“琢型”。具体来说，在高温下，化学吸附的氧气将蒸发的铜原子捕捉到液相，液相中的Cu-O前体在表面凝结成Cu。-O 链条，这个过程涉及到大量的铜原子传输。随著温度的升高，从最初的几纳米开始，琢型的宽度逐渐增大。在900 ℃上下琢型的宽度可以达到几十到几百纳米，此时此刻， SWNT的位置将受到铜原子传输的显著影响，SWNT立即被驱动移动，相邻的SWNT逐渐靠近并形成连接，SWNT重组开始。当气温升至1030时 ℃，由于接近铜溶点，预熔明显，形状逐渐消失，RSWNT重组基本完成。此时，G可以通过氮源进一步准备。-RSWNT。SEM表征原点验证了此过程(图2c和2d)。RSWNT和G-RSWNT的外观图像如图2e和2f所示，表面干净平整，显示出大面积的Y型因特网。它是一种更加有效的导电路径和更加坚韧的力学网络，是协同提高碳纳米薄膜多种性能的重要因素。

图 2. （a，b）模仿驱动SWNT网络重组示意图。（c，d）RSWNT和G-SEM图像RSWNT。

【大规模自支撑碳纳米透明导电膜可以无损转移到目标衬底】

将重组碳纳米管膜的性能与最近的代表性软TCF相关报道进行比较，如图3a和3b所示。可以看出，重组碳纳米膜不仅具有透明导电性的领先水平，而且具有自支撑、清洁转移等优异特性。同时，这项工作计划弥补大型石墨烯-碳纳米管复合膜领域的研究不足。

大规模、均匀的G-RSWNT薄膜可通过Batch使用。-to-Batch方法从支持转移到随机衬底。这个过程非常简单，兼容性也很好。图3c显示了PET衬底上大规模的G-RSWNT薄膜照片。

图 3. （a）这项工作与其它报告中碳纳米薄膜的表面电阻和透光率进行了比较。（b）这项工作与其它报道中碳纳米薄膜的各种性能进行了比较。（c）A3尺寸和1 m×10 cm的G-RSWNT PET是TCF照片的衬底。

/ 软智能窗口基于碳纳米透明导电膜的重组和液晶的改变 /

优异的透明度和导电性，以及大规模的制备，使得重组碳纳米薄膜成为下一代透明导电材料的有力竞争对手。伴随着现代化进程的加快，满足绿色环保等多功能需求的智能设备越来越受到重视。用于分隔内外空间的窗户，在工程、交通甚至航天工程等领域，通常会带来额外的能源损失，在一些恶劣的环境中，也会面临起雾、冻结等问题。一方面会造成能源浪费，另一方面也会影响窗户的安全性和实用性。为解决这一问题，本工作制备了一种基于G-RSWNT薄膜和改变液晶的软智能窗口，可实现可控变光、快速加热、除雾等功能。图4a和4b显示了其原理示意和功能测试。

当环境温度低于相变温度时(~30)°C）当时，智能窗口处于透明状态（OFF），这个时候会有更多的阳光进入室内。如果环境温度较高，或者需要保护隐私、投射等功能，可以通过增加电压(2 V cm-1)将智能窗调整到不透明状态（ON）。当窗户遇到雾气时，智能窗户可以通过焦耳加热(0.04) W cm-2）来除雾。图4e-g显示了A4。软智能窗口尺寸的具体工作照片。归功于 G-RSWNT TCF 出色的稳定性，智能窗户在人工控制服役期间同样具有出色的环境稳定性。

这种性能优异的多功能软智能窗口，未来可用于显示窗口、显示镜、显微镜、相机镜头等设施。此外，它还在航空航天飞机、建筑物(商店、办公室等)中。)、在极寒地区使用的作物种植、输送设备(轮船、飞机等)和装甲车等场景中，也具有很大的实用价值。

图 4. （a）软智能窗口的结构和原理示意图基于G-RSWNT薄膜。（b）不同电压密度下智能窗的温度变化。（c）不同稳态温度下智能窗的功率面密度。（d）ON/OFF状态下智能窗口的透射率。（e, f）室温25 在展平和弯曲条件下，智能窗透明度通过电压调节变化。（g）20 ℃除雾检测，智能窗户工作温度为28。 ℃。

/ 总结 /

本工作提出了先进的FD，以克服碳纳米薄膜的一些关键特性(透明度、导电性、力学强度等)之间的相互制约。).-CNNR 对碳纳米薄膜进行策略设计和制备(包括 RSWNT TCF和 G-RSWNT TCF）。这类薄膜具有优异的柔软性、高力学强度、轻质性、优异的透光性和导电性，以及稳定性。与此同时，还可以实现大规模甚至大规模的制备。基于大规模软性 G-RSWNT TCF 的新型 A4 已开发出大小柔软的智能窗口，可实现可控变光和快速除雾，在智能制造领域具有广阔的应用前景。

柔性、轻质、高韧性、大面积碳纳米透明导电膜可用于柔性电子、光电设备、光学工程、人工智能、现代建筑、交通运输甚至航天工程等领域。另外，FD-CNNR 这种策略不仅可以做到 TCF 结构设计与性能优化提供了一个新的角度，也可以为研究其它功能膜(高韧性膜、保护膜等)提供新的启发。

原文：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202313971

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