[发明专利]柔性碳纳米管透明导电薄膜的制备方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管薄膜的制备工艺及装置，特别涉及一种利用浮动催化裂解化学气相沉积法（FCCVD）形成柔性碳纳米管透明导电薄膜的方法及系统，属于纳米材料技术领域。

背景技术

透明导电薄膜（TCFs）在显示器、触摸屏、太阳能电池等领域有广泛的应用。自从1907年Badker报道热蒸发镉形成氧化镉透明导电膜以来，透明导电膜已应用于人们日常生活中的很多领域。目前使用最广泛的透明导电薄膜是ITO，一种氧化铟锡的复合物。因铟是稀有金属，其世界储存量仅为1.5万吨，远低于黄金的4.8万吨和白银的27万吨，已成为战略金属；同时因ITO导电薄膜很脆，不能满足柔性显示触控的要求，因此寻找其替代物已是透明导电材料领域的研究热点。

碳纳米管具有独特的一维电传导特性，在轴向具有高的电子传导能力，并且对可见光和近红外共几乎没有吸收，这些特点使碳纳米管网络薄膜具有透明和导电的能力。与传统氧化物透明电极如铟锡氧化物相比，碳纳米管透明导电薄膜（CNT-TCFs）具有与之相媲美的导电性，且在柔性、真彩色性及成本等方面具有明显的优势，从而显示出良好的应用前景。

现有CNT-TCFs的制备方法主要有湿法和干法两种。湿法是首先将CNTs分散，得到均匀稳定的分散液，然后再通过真空抽滤^[1]、喷墨打印、电沉积^[2]、旋涂、浸涂、喷涂^[1]等方法将碳纳米管沉积到期望的衬底上。但由于碳纳米管首先需要经过分散处理，对原本完整的碳纳米管结构和长度造成破坏，导致碳纳米管薄膜的电阻偏高。干法则是指碳纳米管不经分散而直接成膜的一种薄膜制备方法。因此法在制备CNT-TCFs的过程中不对CNT进行结构破坏和截短操作，故有望获得更高质量的CNT-TCFs。基于干法制备碳纳米管薄膜主要是在含有催化剂的衬底上生长碳纳米管阵列，这些阵列在经过拉丝工序形成碳纳米管束，再由无数根平行排列的碳纳米管束形成了碳纳米管透明导电薄膜^[3]。但这种方法制备透明导电薄膜会受到基底（包括基底尺寸、价格、批量化等因素）的限制，同时也受到阵列碳纳米管本身质量的影响，造成薄膜较大的电阻和较低的透光率。目前还鲜有其他干法制备CNT-TCFs的报道，虽有报道通过改进的石英反应管，在炉管末端增加垂直转动轴，实现碳纳米管薄膜的连续制备^[4]，但该方法主要应用于碳纳米管纤维的连续生产，并未涉及在透明导电薄膜方面的应用。

引述文献说明：

[1] 高电导率透明金属型单壁纳米碳管薄膜及其制造方法，公开号CN 101492151A。

[2] 柔性碳纳米管透明导电薄膜材料的制备方法和电沉积装置，公开号CN 101654784A。

[3] Selective Matching of Catalyst Element and Carbon Source in Single-Walled Carbon Nanotube Synthesis on Silicon Substrates, J. Phys. Chem. B, 2005, 109 (7), pp 2632–2637。

[4] 一种合成连续碳纳米管薄膜的方法，公开号CN101830455A。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种新的柔性碳纳米管透明导电薄膜的制备方法，属于碳纳米管薄膜的干法制备工艺。本发明不会对碳纳米管的有序结构和长度造成破坏，且能够制得均匀性和透光度均可调的柔性透明导电薄膜；另外，可以通过合成参数的选择，制备由单壁碳纳米管形成的具有更高导电性和透光率的碳纳米管薄膜。

为实现上述发明目的，本发明包括如下技术方案：

一种柔性碳纳米管透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，包括：

在FCCVD装置的炉管内置入卷成筒形的可挠式薄片；

向FCCVD装置内输入用于制备碳纳米管的原料，在设定条件下进行碳纳米管合成反应，同时以设定转速转动炉管，使生成的碳纳米管均匀沉积在可挠式薄片的内壁上，形成连续的碳纳米管薄膜；

利用卷对卷方式将碳纳米管薄膜从可挠式薄片表面转移至柔性衬底上，形成柔性碳纳米管透明导电薄膜。

进一步，所述可挠式薄片在被卷成筒形并置入炉管时，其外壁与炉管内壁紧贴。