[发明专利]带有融合金属纳米线的透明导电电极、它们的结构设计及其制造方法

说明书

技术领域

本专利申请大体上涉及透明电极的结构及其制造方法的技术领域，尤其涉及制备金属纳米线网络中具有融合接合点的透明电极的技术领域。

背景技术

铟锡氧化物（ITO）作为一种传统的透明电极的透明导电体已经被广泛应用在科研领域，但是它在大规模生产工艺中存在很多缺点。首先，为了制作电极，ITO是被真空沉积在基材上，但是该真空沉积工艺比较昂贵且产量低。其次，在大多数的应用中，为了确保电气性能，ITO的厚度需要达到150纳米或更厚，然而在这样的厚度下，ITO薄膜会变脆从而使之不适合于需要大面积或柔性基板的应用中。再次，为了实现良好的导电性和清晰度，ITO薄膜需要在高温下进行退火处理，最好是超过200℃，从而限制了其在诸如玻璃等耐高温基材上的应用。由于聚合物的软化点比较低，大多数基于聚合物的ITO薄膜不能同时经受为了实现高导电性和透明性的退火温度。因此，随着电光应用扩展到例如三维显示和太阳能电池等更新颖和奇特的功能，有必要设计出一种光电性能优于或者能够与ITO媲美的替代性的透明电极，但是该透明电极适合大面积柔性基板且可以通过廉价高产的方式进行制造。

因为其制造成本低、适合量产且导电性和透明性等性能优良，包含可印刷金属纳米线的透明导电电极已经被成功的证明是一种替代产品。

然而，网络化的金属纳米线，其整个薄膜具有均匀的导电性，与ITO薄膜是不同的。网络化的金属纳米线的电极具有多个金属纳米线，包含金属纳米线铺设在彼此的顶部上或者相互交叉的区域。研究发现，减少金属纳米线的接合点能够显著降低导电膜的薄层电阻。

通常，当两个纳米线叠加在一起时就会产生交叉。其高度等于两个纳米线的组合高度，即直径。例如，导电金属纳米线网络包含直径为d1的第一金属纳米线和直径为d2的第二金属纳米线，那么在所述金属纳米线的网络中，第一和第二金属纳米线交叉而形成接合点，且接合点高度（J12）等于d1 + d2。在图5所示的另一实例中，导电电极包括多个金属纳米线，网状金属纳米线包括直径为d1的第一金属纳米线、直径为d2的第二金属纳米线、以及直径为d3的第三金属纳米线。在金属纳米线网络中，第一、第二和第三金属纳米线交叉形成接合点，且该接合点高度J13等于每个金属纳米线的高度（即直径）之和，即，J13 = d1 + d2 + d3。如图1所示，第一、第二和第三金属纳米线都具有相同的直径（d1 = d2 = d3 = d），那么接合点高度J13其实就等于3d。

研究发现，为了减小薄层电阻，单独的高温退火是不能有效的熔化金属纳米线接合点。例如，在150-200℃的工艺条件下对干膜进行退火，不会改变已经形成的接合点，导电薄膜的薄层电阻仍高达1000欧姆以上。

正如碳纳米管技术领域中已经教导的那样，采用一个导电聚合物将两个线粘贴起来；或者正如坎布利欧(Cambrios)的美国专利公开20110285019和美国专利8049333中教导的那样，采用高压来压扁接合点，对改变纳米线接合点都已被证明是有效的。在美国专利公开20110285019和美国专利8049333中，除了高温退火，采用诸如高压力等外部宏观力来压平接合点，以实现降低薄层电阻。然而，该方法存在很多缺陷。首先，由于纳米线很容易受到损害，例如在高温和高压下产生的物理变形和/或热氧化。其次，所利用的外力不仅仅按压在金属纳米线结合点上，也按压在整个薄膜上。考虑到纳米线的微小尺寸，它需要非常光滑和平坦的衬底表面，以确保所施加的力作用在接合点上。否则，很可能出现除了接合点之外，其他纳米线的长度也被按压变形或压扁，从而造成不必要的稳定性问题。

鉴于上述情况，有必要发明出一种在交叉点来连接纳米线更好的方法。

发明内容

本发明揭示了一种透明导电电极，其包括基板以及位于所述基板上的基本单层。所述单层包括直径为d1的第一金属纳米线和直径为d2的第二金属纳米线。其中，所述第一和第二金属纳米线相交形成一个融合接合点。该接合点的深度为J12，其中，J12<（d1+d2），J12 >d1且J12>d2。

本发明还揭示了一种透明导电电极的制造方法，所述透明导电电极包括在网络中的多个金属纳米线，所述网络包括融合的金属纳米线接合点，该制造方法包括如下步骤：

提供一个基板；和

在所述基板上形成一个包含金属纳米线网络的基本单层；以及

在相邻的金属纳米线之间形成若干融合的金属纳米线接合点。

附图说明

为了更清楚的理解本发明的实施例，以下结合附图进行详细描述，其中：