Прозрачные проводящие пленки углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки объединяют наноразмерность с высоким аспектным соотношением (~ 1 000) и уникальными электрическими, оптическими, механическими и электрохимическими свойствами, что делает их идеальным материалом для применений в различных областях. В последнее время значительные успехи достигнуты в области изготовления оптически прозрачных и тонких электропроводных пленок чистого ОУНТ. Такие прозрачные и проводящие тонкие пленки и покрытия могут заменить оксид индия олова в широком диапазоне приложений, например, в экранах, плоских дисплеях, записи изображений, оптических устройствах связи и солнечных ячейках.

Водные дисперсии из очищенных углеводородных нанотрубок были стабилизированы поверхностно-активными веществами. Многие поверхностно-активные вещества отличаются по механизму стабилизации (ионные или стерические, мицеллообразование или полимерная упаковка). Максимальное количество взвешенных ОУНТ, соотношение отдельных НТ против групп ОУНТ в дисперсии, характерный размер расслоения и их склонность к формированию флокулярных структур ОУН- и ОНТ-рас- слоения - все эти факторы могут повлиять на процесс покрытия, а также структуру и эффективность пленок.

Четыре поверхностно-активных вещества были выбраны и их эффективность доказана в качестве диспергаторов ОНТ в воде: F108 и F98 (pluronics, полиэтиленоксид и полипропилена оксид на основе триблок- полимеров, BASF), натрия додецилсульфат (SDS, Aldrich) и натрия доде- цилбензилсульфонат (SDB, Aldrich).

Покрывные жидкости были получены путем смешивания 0,3-0,4 мае. % ОНТ (HiPco Университета Райс; HPR 166,12) с 1 мае. % поверхностноактивного вещества [152]. Эти подготовленные ОНТ-дисперсии были непригодны для равномерного покрытия большой площади тонкими пленками. Однако высокая загрузка ОНТ (относительно более высокой вязкости) и более толстые покрытия (20-50 % прозрачности) позволили изготовить тест-пленки с использованием метода стержня. Тест-пленки по-прежнему частично дефектны (в связи с несмачиванием и разрывом пленок), но имеют достаточно большие однородные области (~ 1 см2) для измерения их электрических и оптических свойств.

Нанесенные пленки были воздушно-сухими, их энергично промывали для удаления ПАВ и вновь сушили в течение ночи при 60 °С в вакууме. После этого все измерения проводились с пленками в условиях окружающей среды.

Очищенные углеродные нанотрубки были диспергированы в воде при высоких концентрациях с помощью поверхностно-активных веществ. Стержень покрывали однородной тонкой пленкой, легированной различными кислотами. Было показано, как комбинировать различные поверхностно-активные вещества, чтобы сделать равномерные дисперсии с высокой концентрацией ОУНТ и оптимальными реологическими свойствами для нанесения покрытий, в том числе для предотвращение несмачивания и разрыва пленки.

Легирование ОУНТ дымящей серной кислотой привело к лучшим показателям поверхностного сопротивления 100 и 300 Ом/кв и прозрачности 70 и 90 %. Использовали показатель качества (ФОМ) для немедленной оценки и сравнения показателей и микроструктуры УНТ-пленок, полученных различными методами. Все жидкости содержали 0,3-0,4 мае. % ОУНТ и 1 % ПАВ.

Существенные различия в свойствах можно понять на основе работы Хехта и других [153] о проводимости odc ОНТ-пленок. Эти пленки имеют морфологии неупорядоченных двумерных сетей ОНТ-слоев, их электропроводность, как ожидается, зависит от средней длины слоя ЬАУ и диаметра DAv ilo сравнению с SDS и тритоном Х-100 SDBS - это лучший диспергатор, уступающим дисперсии с более высокой концентрацией отдельных ОНТ в той же общей концентрации ОНТ. Эти отличия в микроструктуре ОНТ (например, соотношение отдельных трубок и пучков, средний диаметр пучка) в разных дисперсиях являются вероятной причиной различных электрооптических свойств ОНТ-пленок.

На основании этих наблюдений SDBS был выбран в качестве поверхностно-активного вещества. Для достижения высокой прозрачности в пленках требуется покрывная жидкость с более низкой концентрацией ОНТ (~ 0,1 %).

Смачивание и реологические свойства ОНТ-дисперсии были модифицированы для устранения дефектов пленки и неоднородностей. Редон и другие [154] изучили динамику несмачивания и разрушение тонких пленок жидкости по линии разрыва и роста засушливых зон. Они показали, что жидкие пленки тоньше, чем их характерная равновесная толщина:

где 0 - контактный угол жидкости с подложкой; величина hQ = 400 мкм для поверхностно-водной системы и является метастабильной величиной, всегда развивается в сторону равновесия либо несмачивания и усадки или разбивается в шарики и пачки. Скорости несмачивания

где к - свойства жидкости, может быть взято как 10 3 для системы на водной основе [153]. Во избежание разрыва пленки скорость несмачивания должна быть низкой чтобы пленка жидкости могла высушиться до несмачивания по причине каких-либо дефектов. Несмачивания можно избежать при времени сушки пленки намного короче, чем время несмачивания

где Ь является характерным масштабом пленки. Поэтому несмачивания можно избежать за счет снижения поверхностного натяжения и краевого угла смачивания, за счет повышения вязкости или соответствующего сокращения времени высыхания покрытых пленок.

На рис. 4.34 показаны РЭМ- и АСМ-изображения ОНТ тонкой пленки на стекле, изготовленных с использованием стержневого покрытия с использованием ОНТ-ЗНВБ-ТХЮО дисперсии (ОНТ 0,1 %, ЗОВБ 1 мае. %, ТХ100 3 мае. %). Покрытия со слегка различными концентрациями ОНТ (0,1-0,3 мае. %) и ТХ100 (2-3 %) демонстрируют аналогичные микроструктуры.

РЭМ- и АСМ-изображения ОНТ тонкой пленки на стекле, изготовленной с использованием стержневого покрытия ОНТ-8БВ8-ТХЮО дисперсии (ОНТ ОД %, 8БВ8 1 мае. %, ТХ100 3 мае. %) [152]

Рис. 4.34. РЭМ- и АСМ-изображения ОНТ тонкой пленки на стекле, изготовленной с использованием стержневого покрытия ОНТ-8БВ8-ТХЮО дисперсии (ОНТ ОД %, 8БВ8 1 мае. %, ТХ100 3 мае. %) [152]

На рис. 4.35 показана зависимость поверхностного сопротивления против пропускания для серии стержневых покрытий ОНТ-пленок с различной толщиной до и после обработки олеумом. Пленки были покрыты использованием ОНТ-8ПВ8, ТХ100 дисперсии (ОНТ ОД %, 8БВ8 1 мае. %, Х100 3 мае. %).

Поверхностное сопротивление против пропускания для серии стержневых покрытий ОНТ пленок с различной толщиной до и после обработки олеумом [153]

Рис. 4.35. Поверхностное сопротивление против пропускания для серии стержневых покрытий ОНТ пленок с различной толщиной до и после обработки олеумом [153]

Поверхностное сопротивление всех пленок улучшено более чем в 3 раза по кислотной обработке. Свойства пленок были стабильны в течение 8 недель в условиях окружающей среды.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >