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向大自然索取透明导电网络


J. W. Gao(高进伟), Z. K. Xian, G. F. Zhou, J.-M. Liu(刘俊明), and Krzysztof Kempa


Nature-Inspired Metallic Networks for Transparent Electrodes


Advanced Functional Materials 2018, 1705023


七年前我带着极其简朴的家当和记载了国外工作点滴的实验记录本走进了华南师范大学,开始了一段让人忐忑不安的科研生涯。但我很快得知,研究方向只能顺势转为光电材料,以前的自以为回国可用的纳米流体实验记录本只能归档,作为纪念品偶尔炫耀。研究方向的转变带来的不确定性让人沮丧,我被迫在大自然中寻找廉价的研究方向,美其名曰:仿生学。

透明导电电极,犹如动物之眼,在光电器件中必不可少,可用于太阳能电池、显示、智能窗户等。其市场之大,单从触控应用看,2017年市场份额高达200多亿美金。透明导电,从物理上看是一对矛盾体。透明意味着自由电子密度小,而导电需要大量自由电子的定向移动。材料学家对透明导电材料的研究一直围绕这对矛盾展开。掺杂金属氧化物可以实现带隙结构、载流子浓度及其迁移率的调控,部分实现两者的统一,例如ITO。但ITO关键元素的价格和本征脆性无法满足人类那欲壑难填的需要和急剧膨胀的现代光电产业需求。在诸如柔性可穿戴设备中,柔性透明导电电极材料更是备受欢迎,导致各种ITO替代材料应运而生。这也为广大科研工作者提供了高端大气的研究课题。

我们课题组有幸误入此方向,并坚持七年之久。金属网络电极无疑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。

几年来,在大自然中寻找最“美”网络是课题组的主要目标。“美”在于:可见光透光率、导电性及其机械柔性的完美统一!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(通俗地说就是没事在外面闲逛一下的收获),我们似乎在自然中找到了宝贝,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的制造!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。

我常常告诫我的学生“科研99%的时间是郁闷和压抑的,1%的时间你会获得一些快乐和满足,但我们要享受这种压抑和郁闷状态,1%是我们的动力”。几年来,1%的兴奋就是课题组在透明电极领域的一系列高影响因子论文,包括2篇Nature Communications、1篇 Advances in Physics、1篇Advanced Materials等10篇期刊论文、近20项授权发明专利、全国大学生挑战杯特等奖等奖励。

同样,得益于课题组这七年的坚持,最近受Advanced Functional Materials 期刊“Bio-spired materials”专辑的邀请,课题组于该期刊在线刊出了以《Nature-Inspired Metallic Networks for Transparent Electrodes》为题的Feature 综述论文(图2)。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。我们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。紧接着介绍了其他仿生法,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。综述最后了讨论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,课题组在谈论阳春白雪闲暇之际,偶尔也脚踏实地锅碗瓢盆。依托广东省透明导电薄膜材料工程技术研究中心,我们将团队首创技术“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卷材性能主要体现在: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,感谢课题组七年来各位从事透明电极研究的童鞋们的坚持、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。

人生路漫漫,其修远兮,吾等将洒之以汗水,或许笑颜粲然!

(高进伟撰稿)

Nature offers structural solutions to various optimization problems. For example, an optimal, low-shedding water transport at various scales is achieved with quasi-fractal structures, shown to be close to optimal. In a series of projects, metallic network analogs of some of these solutions to make high-effciency transparent conductors are studied. Specifcally, transparent conductors are developed by directly metalizing leaf venations, spider webs, and other organic fbers. Also, the natural process of self-cracking, similar to that occurring in the mud of dried-out riverbeds, is employed to develop masks for metallic network fabrications. These comprehensive studies and developments contributed to, and in some cases initiate new directions in the feld of network transparent conductors. These structures offer performance exceeding those of conventional oxide-based flms, while providing a possibility of reduced processing expense. This paper provides a concise, comparative review of this study and other groups’ efforts in recent years. In the context of applications, the performance criteria are defned, and with those as a guideline, practicality of the most promising networks is discussed.


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