Synthèse facile de nanofils d'argent avec différents rapports d'aspect et utilisés comme électrodes transparentes flexibles hautes performances

Contexte

Les électrodes transparentes flexibles (ETP) jouent un rôle important dans la prochaine génération d'électronique flexible [1,2,3,4]. Les ETP peuvent être appliqués à de nombreux dispositifs optoélectroniques en tant que composants conducteurs, impliquant des écrans tactiles [5, 6], des cellules solaires portables [7, 8], des diodes électroluminescentes organiques (OLED) [9, 10, 11], des électrodes de pile à combustible [ 12,13,14,15,16,17], des capteurs [18, 19], un filtre PM [20], des éléments chauffants transparents [21, 22] et des appareils électroniques portables [23, 24]. Les électrodes transparentes (TE) dominantes utilisées actuellement sont l'oxyde d'indium et d'étain (ITO) en raison de la faible résistance de couche (<100 Ω/sq) et de la transmittance élevée (>80 %). Mais sa fragilité intrinsèque limite les applications en électronique flexible. De plus, il nécessite un processus de dépôt à haute température et est remis en cause par la rareté de l'indium [25,26,27]. Par conséquent, plusieurs nouveaux films conducteurs avec une bonne flexibilité et transparence optique, tels que des grilles métalliques [2, 28, 29], des nanotubes de carbone (CNT) [30,31,32,33], du graphène [34,35,36], Ag NWs [5, 37,38,39,40,41], Cu NWs [42, 43], polymères conducteurs [44, 45] et hybrides de ceux-ci [46,47,48], ont été fabriqués, s'efforçant de remplacer ITO. Parmi ces candidats, les films Ag NWs ont fait l'objet d'études approfondies dans les institutions scientifiques et industrielles, en raison de leur excellente conductivité électrique et de leur haute transparence optique. De plus, les Ag NW présentent une flexibilité et une extensibilité exceptionnelles, ce qui est l'un des avantages attrayants de la fabrication de conducteurs transparents extensibles par rapport à l'ITO fragile [49, 50, 51]. De plus, les films Ag NWs traités en solution sont plus rentables que l'ITO. Toutes ces propriétés font des films Ag NWs des alternatives prometteuses à l'ITO pour les applications en électronique flexible.

Cependant, plusieurs problèmes doivent être résolus pour commercialiser les films Ag NWs en tant qu'ETP. Premièrement, les Ag NW avec différents rapports d'aspect doivent être synthétisés facilement de manière contrôlée car les propriétés séduisantes des films Ag NW dépendent profondément des dimensions des Ag NW et une longueur et un diamètre bien conçus sont très importants pour différentes applications [52, 53]. Généralement, le procédé au polyol est la méthode la plus largement utilisée pour préparer les Ag NW. Ran et al. [54] ont synthétisé des Ag minces NW avec des rapports d'aspect supérieurs à 1 000 en utilisant le PVP mixte avec un poids moléculaire moyen de 58 000 et 1 300 000 comme agent de coiffage. Cependant, l'influence des rapports d'aspect sur les performances optoélectroniques des Ag NTE n'a pas été soigneusement étudiée dans leur travail. Bien que Ding et al. [55] ont préparé des Ag NW avec différents diamètres variant de 40 à 110 nm et fabriqué des Ag NTE avec une transmittance de 87 % et une résistance de couche d'environ 70 Ω/sq, de nombreux paramètres doivent être ajustés simultanément pour contrôler les diamètres d'Ag Les NW et les performances optoélectroniques des Ag NTE obtenus ne seraient pas satisfaisants. Li et al. [56] ont synthétisé des Ag minces NW avec des diamètres de 20 nm en modifiant la concentration de bromure. Et ils ont fabriqué des films Ag NWs de haute qualité avec une transmittance de 99,1 % à 130,0 Ω/sq. Ko et al. [57] ont développé une méthode de croissance en plusieurs étapes pour synthétiser de très longs Ag NW sur plusieurs centaines de micromètres et les films fabriqués ont démontré une transmittance supérieure de 90 % avec une résistance de feuille de 19 Ω/sq. Les performances optoélectroniques de ces films Ag NWs sont comparables voire meilleures que celles des films ITO. Mais le rapport hauteur/largeur minimum des Ag NW, qui ont la capacité de fabriquer des TE rivalisant avec l'ITO commercial en termes de résistance de feuille et de transmittance, est encore incertain. Par conséquent, il est nécessaire de synthétiser des Ag NW avec différents rapports d'aspect et d'étudier leur influence sur les performances optoélectroniques des films Ag NW.

De plus, la conductivité électronique des films Ag NWs est relativement mauvaise, résultant de la résistance élevée de la jonction des nanofils [58]. Dans la synthèse de polyols d'Ag NW, le PVP, en tant que tensioactif, s'adsorbe à la surface d'Ag NW, ce qui entraîne un contact isolé entre les fils du réseau aléatoire [59, 60]. Par conséquent, différents post-traitements physiques et chimiques, impliquant un recuit thermique [38, 39, 61, 62], une presse mécanique [63], une nanosoudure avec des polymères conducteurs [64], une soudure plasmonique [65], une nanosoudure laser [66,67, 68], et l'intégration avec d'autres matériaux [60], ont été explorées pour réduire la résistance de jonction. Parmi ces post-traitements, un recuit thermique à près de 200 °C est généralement utilisé. Il est incompatible avec les substrats plastiques souples qui ne supportent pas les hautes températures, et limite donc les applications des films Ag NWs dans les dispositifs optoélectroniques souples.

Ici, une série d'Ag NW avec différents rapports d'aspect variant d'env. 30 à env. 1000 sont synthétisés de manière contrôlée et utilisés pour fabriquer des Ag NTE hautement conducteurs et transparents. Tout d'abord, les Ag NW sont préparés par un processus de polyol facilité par PVP où le mélange de PVP avec un poids moléculaire moyen différent peut réduire efficacement les diamètres. Par la suite, les Ag NWs tels que synthétisés avec différents rapports d'aspect sont utilisés pour fabriquer des films Ag NWs sans recuit à haute température, respectivement. Et les performances optoélectroniques correspondantes sont étudiées de manière comparative. La meilleure résistance à la feuille et la meilleure transmission parallèle peuvent atteindre 11,4 Ω/sq et 91,6 % lorsque les rapports d'aspect atteignent près de 1 000. De plus, la résistance de la feuille des films Ag NWs tels que fabriqués est presque constante après les tests de pliage interne et externe.

Méthodes

Matériaux et produits chimiques

Nitrate d'argent (AgNO₃ , AR) et de l'éthanol anhydre (C₂ H₅ OH, AR) ont été achetés auprès de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. Chlorure de cuivre (II) déshydraté (CuCl₂ ·2H₂ O, AR) et PVP (MW≈58 000, marqué comme PVP-58) ont été achetés auprès de Shanghai Aladdin Reagents Co., Ltd. Éthylène glycol (EG, 98 %) et PVP (MW≈10 000, 40 000 et 360 000, marqué comme PVP -10, PVP-40 et PVP-360, respectivement) ont été achetés auprès de Sigma-Aldrich. De l'eau déminéralisée (18,2 MΩ) a été utilisée dans l'ensemble des expériences.

Synthèse des Ag NWs

Ag NWs avec différents rapports d'aspect sont préparés par un processus de polyol à médiation PVP à un seul pot facile. Typiquement, 0,170 g d'AgNO₃ est dissous dans 10 mL d'EG sous agitation magnétique. Ensuite, 0,15 M de PVP-40 et 0,111 mM de CuCl₂ ·2H₂ Une solution mixte O dans 10 mL d'EG est ajoutée goutte à goutte à la solution ci-dessus. Ensuite, le mélange est transféré dans un autoclave en acier inoxydable revêtu de téflon d'une capacité de 50 mL et chauffé à 160 °C pendant 3 h. Après refroidissement naturel à température ambiante, des Ag NW purs sont obtenus par centrifugation à une vitesse de 2500 tr/min pendant 5 min et lavés trois fois avec de l'éthanol et de l'eau déminéralisée. Enfin, les produits sont dispersés dans de l'éthanol pour une caractérisation et une application plus poussées. De plus, la concentration et le poids moléculaire moyen de PVP sont très importants pour contrôler la morphologie et la taille des produits. Par conséquent, différents types de molécules de PVP sont utilisés simultanément pour réguler les diamètres d'Ag NWs dans le processus de polyol. Les paramètres expérimentaux détaillés sont répertoriés dans le fichier supplémentaire 1 :Tableau S1, nommés respectivement S1 à S13.

Fabrication d'Ag NTE

Le polyéthylène téréphtalate (PET) d'une épaisseur de 150 μm est découpé en morceaux de dimension 20 × 20 mm. En bref, les Ag NWs tels que préparés sont dispersés dans de l'éthanol (6 mg/mL) et 50 μL de solution d'Ag NWs sont déposés par centrifugation à 2000 tr/min pendant 30 s sur un substrat PET. Enfin, les films Ag NWs sont chauffés à 140 °C pendant 15 min sans aucun traitement post-traitement supplémentaire. Les rapports d'aspect des Ag NWs, la vitesse de rotation, la concentration et le volume de la solution Ag NWs sont étudiés pour fabriquer des NTE de haute qualité. En ce qui concerne le revêtement par centrifugation répété, chaque volume de solution d'Ag NWs est modifié à 25 μL et la vitesse de rotation est réglée à 2000 rpm. Un intervalle de temps dans chaque revêtement par centrifugation est nécessaire pour volatiliser l'éthanol. Les autres paramètres sont identiques aux processus susmentionnés.

Test de caractérisation et de performance

Les images de microscopie électronique à balayage (SEM) sont enregistrées à l'aide d'un SEM à émission de champ froid (Hitachi S-4800). Les images en microscopie électronique à transmission (MET) et MET haute résolution (HRTEM) sont obtenues à l'aide d'un JEOL JEM-2100F. Les spectres d'absorption UV-vis des Ag NWs et les spectres de transmittance optique des films Ag NWs sont réalisés sur un spectrophotomètre Shimadzu UV-3600. La résistance de la feuille est mesurée à température ambiante à l'aide d'un testeur de résistance à sonde à 4 points (FP-001).

Résultats et discussion

Généralement, les Ag NW sont synthétisés par un procédé polyol dans lequel le PVP est utilisé comme agent de coiffage pour assurer la croissance des Ag NW unidimensionnels [69, 70]. Au cours de la synthèse, de nombreux paramètres tels que la température de réaction, la vitesse d'agitation, la concentration de PVP, la longueur de chaîne de PVP, les agents additifs et le rapport des produits chimiques peuvent affecter le rendement et la morphologie des Ag NW synthétisés. Par exemple, une température de réaction inappropriée inférieure à 110 °C ou supérieure à 180 °C permet à plus d'atomes d'Ag de former des nanoparticules d'Ag (NP) plutôt que des Ag NW [70, 71]. La longueur des Ag NWs synthétisés augmente en ralentissant la vitesse d'agitation [72, 73]. Dans cet article, nous étudions principalement la concentration de PVP et leur poids moléculaire moyen sur l'effet de la morphologie et de la taille des Ag NW. La morphologie et la distribution de taille correspondantes des Ag NW sont illustrées à la figure 1 et au fichier supplémentaire 1 :figure S1. Premièrement, la concentration de PVP est augmentée de 0,05 M (échantillon S1, Fichier supplémentaire 1 :Figure S1a) à 0,15 M (échantillon S2, Fig. 1a). La morphologie correspondante des produits passe des Ag NPs quasi sphériques aux Ag NWs purs avec un diamètre moyen de 104,4 nm et une longueur de 12,3 μm. Le mélange d'Ag NWs et d'Ag NPs est observé lorsque la concentration de PVP est augmentée à 0,25 M (échantillon S3, Fichier supplémentaire 1 :Figure S1b). En augmentant encore la concentration de PVP à 0,55 M (échantillon S4, fichier supplémentaire 1 :figure S1c), un grand nombre de NP Ag avec différentes formes (y compris la sphère proche et la plaque triangulaire) sont formées. Les résultats indiquent qu'une concentration inférieure ou supérieure de PVP n'est pas bénéfique pour produire des Ag NW purs, entraînant en outre l'absence d'Ag NW. La formation de Ag NPs dans les produits lors du changement de concentration de PVP peut être attribuée à l'échec de la croissance anisotrope sur toute la surface des nanoparticules multi-jumelées (MTP) [69, 74].

un , b Images SEM d'Ag NWs synthétisés avec PVP-40 et PVP-360, respectivement. La concentration de PVP est de 0,15 M. a b ′ Distribution statistique correspondante du diamètre et de la longueur. (Les encarts dans a et b sont les images SEM correspondantes à fort grossissement et toutes les barres d'échelle sont à 500 nm)

De plus, l'influence de PVP avec différents poids moléculaires sur la morphologie et la taille des Ag NWs est également discutée. Seuls les Ag NPs et les nanotiges agrégées sont produits lors de l'utilisation de PVP-10 (échantillon S5, fichier supplémentaire 1 :Figure S1d). Lors de l'utilisation séparée du PVP-58 (échantillon S6, fichier supplémentaire 1 :Figure S1e) et du PVP-360 (échantillon S7, Fig. 1b), la morphologie et la taille correspondantes des produits sont modifiées par rapport aux Ag NW tronqués (avec un diamètre moyen de 235 nm et une longueur de 6,7 μm) à un rapport d'aspect élevé Ag NWs (avec un diamètre moyen de 132,1 nm et une longueur de 69,9 μm). Selon les résultats susmentionnés des échantillons S2, S5, S6 et S7, le poids moléculaire moyen du PVP joue non seulement un rôle essentiel dans la formation de la morphologie des Ag NWs, mais a également une influence significative sur le diamètre et la longueur des produits Ag NWs. . L'influence de la PVP avec un poids moléculaire moyen différent sur la morphologie et la taille des Ag NWs peut être attribuée à trois facteurs :(i) la PVP en tant qu'agent de coiffage préfère s'adsorber sur les faces latérales des MTP [69]. La forte adsorption chimique favorise la croissance des Ag NWs longs [75]. (ii) L'effet stérique de la couche de recouvrement de PVP permet aux atomes d'argent de se déposer sur les faces latérales à travers l'espace entre les molécules de PVP adjacentes, entraînant en outre la formation d'épais Ag NWs [54]. (iii) La viscosité élevée de la PVP avec un poids moléculaire moyen élevé dans la solution EG ralentirait le taux de croissance, ce qui est bénéfique pour former des MTP [76, 77]. En conséquence, le faible poids moléculaire moyen du PVP, comme celui du PVP-10, ne s'adsorberait pas efficacement sur les faces cristallines (100) pour restreindre la croissance latérale. Pendant ce temps, le faible effet stérique et la faible viscosité n'empêcheraient pas l'agrégation des nanostructures d'argent. Le PVP à haut poids moléculaire, comme le PVP-360, possède une forte adsorption chimique sur les faces latérales pour produire de longs Ag NW. Mais le grand effet stérique du PVP-360 conduirait à l'augmentation du diamètre.

Afin d'obtenir des rapports d'aspect élevés de Ag NWs, la force d'adsorption et l'effet stérique doivent être atteints à un état d'équilibre dans le système médié par PVP. Par conséquent, les molécules de PVP mélangées à différents rapports molaires sont utilisées comme agent de coiffage et la morphologie et la distribution de taille correspondantes des Ag NW sont présentées sur la figure 2 et le fichier supplémentaire 1 :figure S2. Lors du mélange de PVP-58 avec PVP-40 au rapport molaire de 1:1, Ag NWs avec un diamètre moyen de 47,5 nm et une longueur de 16,1 μm sont obtenus. Alors que le rapport molaire de PVP-40 et PVP-58 est ajusté à 1:2 ou 2:1, le diamètre d'Ag NWs est augmenté. De plus, les rapports d'aspect des Ag NW augmentent considérablement lors du mélange de PVP-40 avec PVP-360 car les diamètres sont considérablement réduits. Lorsque le rapport molaire du PVP-40 et du PVP-360 est de 1:1, les rapports d'aspect atteignent près de 1000 et les diamètres ont une distribution plus uniforme, comme le montre la figure 2e.

Images SEM d'Ag NWs synthétisés à l'aide de différentes molécules PVP mixtes. un PVP-40 : PVP-58 = 2:1, b PVP-40 : PVP-58 = 1:1, c PVP-40 : PVP-58 = 1:2, d PVP-40 : PVP-360 = 2:1, e PVP-40 : PVP-360 = 1:1, f PVP-40:PVP-360 = 1:2, respectivement. Toutes les concentrations totales de PVP sont de 0,15 M et différentes molécules de PVP sont mélangées selon un rapport molaire. (Les encarts dans a –f sont les images SEM correspondantes à fort grossissement, et toutes les barres d'échelle sont à 500 nm)

L'influence de PVP mixte avec différentes longueurs de chaîne sur les diamètres des Ag NWs pourrait être interprétée brièvement dans le schéma 1a. Les molécules de PVP à longue chaîne peuvent retarder la croissance latérale des Ag NW en raison de la forte adsorption sur les facettes (100). L'effet stérique important, résultant des longues chaînes, amène une distance relativement importante entre les molécules de PVP adjacentes. Les atomes d'Ag peuvent encore se déposer à la surface des Ag NW par diffusion à travers l'espace entre les molécules PVP adjacentes, et des Ag NW épais sont produits. Lorsque vous utilisez le PVP mixte avec une longueur de chaîne différente, le PVP à chaîne courte peut combler l'écart entre le PVP à longue chaîne. Par conséquent, les facettes (100) peuvent être passives plus efficacement, conduisant à la formation de graines d'Ag plus petites et de NW d'Ag plus minces [76]. Comme le montre le schéma 1b, des Ag NW avec des rapports d'aspect typiques sont obtenus dans notre travail. On pourrait supposer que des Ag NW à rapport d'aspect plus élevé pourraient être produits par cette voie expérimentale.

un Illustration schématique du mécanisme de croissance des Ag NW en utilisant PVP mixte avec différentes longueurs de chaîne. b Différents ratios d'aspect Ag NW sont obtenus par le procédé polyol à médiation PVP

La microstructure et la morphologie des Ag NWs sont caractérisées par MET et démontrées dans les Fig. 3a, b. Le nanofil unique est recouvert d'une fine couche de PVP d'une épaisseur d'env. 2 nm. La figure 3c montre l'image HRTEM d'Ag NWs avec une bonne structure cristalline. L'image HRTEM montre clairement que les espaces entre les franges périodiques sont de 0,235 et 0,202 nm, en bonne correspondance avec les espaces plans cristallins pour les plans (111) et (200) de l'Ag cubique à faces centrées (fcc). Pendant ce temps, les Ag NW croissent le long de la direction [110], comme indiqué par la flèche blanche, et cela est similaire aux résultats des rapports précédents [70, 76].

TEM (a , b ) et HRTEM (c ) images d'Ag NWs synthétisées en mélangeant PVP-40 avec PVP-360 (à un rapport molaire de 1:1)

Comme le montre la figure 4, les spectres d'absorption UV-visible des Ag NWs tels que préparés sont différents de ceux des Ag NPs quasi-sphériques. Les spectres des Ag NWs apparaissent en doubles pics caractéristiques. Un pic d'épaulement situé à environ 350 nm pourrait être attribué à la résonance plasmonique du film d'argent en vrac [70, 78]. Le deuxième pic pourrait être attribué au mode plasmonique transverse de Ag NWs, et la position du pic est liée aux dimensions des nanostructures d'argent [79]. Alors que le pic à environ 570 nm, résultant de la résonance plasmonique longitudinale, est absent dans les spectres car les rapports d'aspect des Ag NW préparés sont bien supérieurs à 5 [70, 80]. De plus, comme indiqué par la ligne verte en pointillés, le deuxième pic a un décalage vers le rouge avec l'augmentation des diamètres. Cependant, il est à noter qu'il n'y a pas de pic évident lorsque les diamètres des Ag NWs deviennent plus grands. Pour les Ag NW de l'échantillon S6 (diamètre moyen de 235 nm) et S10 (diamètre moyen de 222,8 nm), les maximums d'intensité d'absorption se situent à la longueur d'onde de 408,5 et 406,5 nm, respectivement. Ils sont plus petits que la longueur d'onde maximale des Ag NW avec des diamètres plus petits de l'échantillon S7 (diamètre moyen de 132,1 nm, la longueur d'onde maximale est de 412 nm), indiquant le détachement de la tendance décalée vers le rouge de la longueur d'onde maximale droite avec des diamètres plus grands.

Spectres d'absorption UV-visible des Ag NWs tels que préparés avec différents diamètres

Il est nécessaire d'optimiser le processus de revêtement par centrifugation pour fabriquer des films Ag NWs de haute qualité. Comme le montre la figure 5a, on observe que la résistance de la feuille augmente à mesure que la vitesse de rotation augmente, car le nombre d'Ag NW s'accrochant à la surface du PET diminue, ce qui entraîne une baisse de la conductivité. De plus, il convient de noter que la résistance de la feuille diminue considérablement à 19,6 Ω/sq lors de l'utilisation de la solution de 8 mg/mL d'Ag NWs. Et il est presque quintuplé par rapport à l'utilisation de 6 mg/mL, ce qui pourrait être attribué à la formation de voies de percolation conductrices plus efficaces dans le réseau Ag NWs, alors que certains agglomérats macroscopiques d'Ag NWs apparaissent lorsque la concentration augmente à 8 mg/ ml. Ensuite, le processus répété de revêtement par centrifugation est effectué. Comme le montre la figure 5b, à la fois la transmittance et la résistance de la feuille diminuent au fur et à mesure que les temps de revêtement par centrifugation augmentent. Plus important encore, lorsque le volume de solution d'Ag NWs est ajouté de 50 à 75 μL, la résistance de la feuille diminue considérablement de 98,46 à 11,87 Ω/sq. Au fur et à mesure que le volume augmente jusqu'à 100 μL, la résistance de couche diminue à 10,42 Ω/sq avec une transmittance de 80,95 %. Cela indique que la densité de nanofils dans les réseaux conducteurs transparents nanostructurés peut atteindre le point de basculement où se produit la transition du comportement de percolation au comportement en vrac [81], lorsque le volume est ajouté à 75 μL. De plus, pour évaluer les performances des NTE, le facteur de mérite (FOM) est calculé qui met en corrélation la transmittance avec la résistance de la feuille. Généralement, la transmittance (T _λ ) et la résistance de feuille (R _s ) d'un film métallique mince satisfont à l'équation suivante. (1) :

un Résistance de feuille des films Ag NWs par rapport à la vitesse de revêtement par centrifugation à différentes concentrations d'Ag NWs. b Comparaison des performances optoélectroniques des Ag NTE fabriqués par différents volumes de solutions Ag NWs. La concentration de la solution Ag NWs est de 6 mg/mL et le volume de chaque revêtement de centrifugation est de 25 μL. L'encart est les valeurs FOM des films Ag NWs par rapport au volume de solution Ag NWs. c –f Images SEM de films Ag NWs fabriqués par différents volumes de solutions Ag NWs, c 25 μL, d 50 μL, e 75 μL, f 100 μL, respectivement. Toutes les barres d'échelle sont de 5 μm

σ _opération (λ) est la conductivité optique et σ _DC est la conductivité en courant continu du film [37]. La valeur de σ _DC/ σ _opération (λ) sont employés comme FOM. Et une valeur plus élevée de FOM signifie de meilleures performances optoélectroniques. L'encart de la figure 5b présente les valeurs FOM des NTE fabriqués par différents volumes de solutions Ag NW. Lorsque le volume est ajouté à 75 μL, l'Ag NWs a la valeur FOM la plus élevée, augmentant considérablement de 23,3 à 162,6. Cela signifie que l'équilibre est atteint entre une faible résistance de feuille et une haute transmittance lors de la mise en œuvre de trois fois le revêtement par centrifugation. De plus, la figure 5c–f montre les images SEM de films Ag NWs sur PET avec différentes densités, correspondant au volume de solutions Ag NWs pour 25, 50, 75 et 100 μl, respectivement. A partir des images, il est évident que les réseaux Ag NWs deviennent de plus en plus denses et la distribution des Ag NWs est plus uniforme, au fur et à mesure que le volume de solution Ag NWs augmente. Par conséquent, le processus de revêtement par centrifugation répété est disponible pour fabriquer des films de nanofils d'Ag uniformes avec diverses transmittances et résistances de feuille pour différentes applications.

Pour une application dans les NTE, les jonctions de nanofils ont une influence significative sur la conductivité du réseau aléatoire Ag NWs [58]. Dans le procédé polyol, les Ag NWs tels que synthétisés conservent une couche de PVP isolée résiduelle, ce qui entraîne une résistance élevée aux jonctions et une détérioration de la conductivité. Lee et al. [59] ont rapporté que le lavage répété au solvant peut réduire la couche de PVP d'env. 4 nm à 0,5 nm et permet le soudage à température ambiante des Ag NW qui se chevauchent. De même, nous avons répété pour laver les Ag NWs tels que synthétisés trois fois avec de l'alcool éthylique pour éliminer autant que possible la couche de PVP. Comme les résultats mentionnés ci-dessus sur la figure 3a, une fine couche de PVP d'une épaisseur de 2 nm est laissée. Il permet non seulement de réduire efficacement la résistance de jonction mais également d'assurer la bonne dispersion des Ag NWs dans le solvant. En revanche, pour les bâtons sans largeur en deux dimensions, la densité du nombre critique (N _c ) de bâtons pour créer un réseau de percolation est donnée par l'équation. (2) :

L est la longueur des nanofils [52]. Cette équation implique que la densité numérique d'Ag NWs requise pour le réseau de percolation est inversement proportionnelle au carré de la longueur. Par conséquent, les longs nanofils ont tendance à construire un réseau de percolation clairsemé et efficace avec une faible densité numérique. Il peut non seulement augmenter la transmission de la lumière, mais également améliorer la conductivité en construisant de longues routes de percolation avec moins de jonctions de nanofils.

La figure 6a montre la comparaison des performances optoélectroniques des NTE fabriqués par des Ag NW avec différents rapports d'aspect. Pour les échantillons S2 et S9, l'augmentation de la transmittance parallèle pourrait être attribuée aux diamètres plus petits qui sont passés de 104,4 à 47,5 nm, car les nanofils de plus petits diamètres peuvent diffuser moins de lumière, entraînant une diminution supplémentaire du trouble. Lorsque les rapports d'aspect dépassent 500 (échantillon S7), des films Ag NWs avec une transmittance parallèle de 81,8 % (87,2 %) et une résistance de couche de 7,4 Ω/sq (58,4 Ω/sq) sont obtenus. Les performances optoélectroniques sont comparables à celles des films ITO commerciaux (85 %, 55 Ω/sq) [5]. De plus, lorsque les rapports d'aspect atteignent près de 1000 (échantillon S12), les films Ag NWs présentent une transmittance (91,6 à 95,0 %) et une conductivité électronique (11,4 à 51,1 Ω/sq) supérieures à celles des films ITO. Ils répondent suffisamment aux exigences de performances des TE dans l'application des cellules solaires ou des écrans tactiles. De plus, comme le montre la figure 6b, la plus grande valeur de FOM atteint 387, supérieure à de nombreuses autres valeurs rapportées de divers TE [62, 73]. L'excellente performance pourrait être attribuée aux Ag NWs longs et minces. En outre, il convient de noter que la valeur FOM augmente considérablement de 89 à 224 lorsque les rapports d'aspect augmentent de 339 (échantillon S9) à 529 (échantillon S7). La raison principale est probablement que les Ag NWs plus longs de l'échantillon S7 forment un réseau de percolation plus efficace avec un plus petit nombre de nanofils, conduisant à une transmission beaucoup plus de lumière à travers le réseau Ag NWs. Cela indique que la stratégie des Ag NWs longs est un moyen facile et efficace d'obtenir des NTE avec des performances optoélectroniques prometteuses, lorsque les Ag NWs minces d'un diamètre inférieur à 20 nm ne sont pas synthétisés avec succès [52, 67]. La figure 6c montre les spectres de transmittance optique des films Ag NWs fabriqués à partir de l'échantillon S12. Les spectres montrent une large région plate de la lumière visible à la longueur d'onde proche infrarouge, ce qui peut améliorer la plage d'utilisation de la lumière et est avantageux pour les applications d'affichage et de cellules solaires, tandis que la transmittance des films ITO affiche une fluctuation dramatique sur la région de la lumière visible [7 ].

un Comparaison des performances optoélectroniques des NTE fabriqués par Ag NW avec différents rapports d'aspect (AR). b Les meilleures valeurs FOM des films Ag NWs par rapport à l'AR des Ag NWs. c Les spectres de transmittance optique des films Ag NWs fabriqués à partir de l'échantillon S12. d Figure de mérite percolative (П ), tracé en fonction des exposants de conductivité (n ). Les lignes continues sont tracés aux combinaisons données de transmittance (T ) et la résistance de feuille (R _s ), tel que calculé à partir de l'éq. (3). Les données tracées du graphène, des SWNTs, des Cu NWs, des Ag NWs proviennent de rapports récemment publiés [37, 67, 81]. Le symbole de l'étoile représente les résultats des films Ag NWs fabriqués à l'aide de l'échantillon S12 de ce travail

Pour évaluer davantage les performances optoélectroniques des réseaux Ag NWs, le FOM percolatif, П , a été proposé dans l'Eq. (3) par De et al. [81] :

Z ₀ est l'impédance de l'espace libre (377 Ω). T et R _s représentent respectivement la transmittance et la résistance de couche des films Ag NWs. Valeurs élevées de П signifie une faible résistance de feuille et une transmittance élevée. FOM percolative (П ) et l'exposant de conductivité (n ) dans ce travail sont calculés à 89,8 et 1,50 en utilisant l'équation. (3), respectivement. La valeur de FOM percolative est plus élevée que les autres valeurs rapportées de divers TE (montrées sur la figure 6d). Cela pourrait être attribué à deux raisons :la fine couche de PVP (environ 2 nm) peut réduire efficacement la résistance de jonction des nanofils. D'autre part, les longues Ag NW (environ 71,0 μm) forment de longues routes conductrices dans les réseaux de percolation, entraînant une diminution du nombre de jonctions. Fait intéressant, la valeur de n est un exposant non universel qui a été lié à la présence d'une distribution de résistance de jonction de nanofils [82,83,84]. Lee et al. [67] ont utilisé un procédé de nano-soudage au laser pour réduire la résistance de jonction des nanofils et la valeur de n est calculé à 1,57. La valeur est proche de celle dans notre travail. Cela suggère en outre que la couche mince de PVP et les longues Ag NW sont efficaces pour permettre le soudage à basse température du réseau Ag NW.

La figure 7a présente des photographies optiques du film Ag NWs uniforme sur PET. Le film est très transparent car l'insigne de l'école en arrière-plan est clairement visible à travers le film. Figure 7b, fichier supplémentaire 1 :figure S3 et fichier supplémentaire 2 :vidéo S1 montrent que le film Ag NWs sur PET allume l'ampoule LED lors de l'application d'une basse tension. Cela indique que toute la surface du film Ag NWs est hautement conductrice. In addition, The Ag NW film is very flexible as shown in Fig. 7c.

un Optical image of as-fabricated Ag NWs films on PET. b Ag NWs film is connected in an electric circuit in which an LED is lit. c Optical image of the flexible Ag NWs film

The video of Ag NWs flexible transparent electrodes. (AVI 9706 kb)

The mechanical stability of the fabricated Ag NTEs on PET substrate is evaluated by a bending test. As shown in Fig. 8, the bending test consists of 100 cycles of inner bending and 300 cycles of outer bending with a bending radio of 1.5 cm. No visible defects, such as cracking or tearing of the surface, are observed even after more than 400 cycles of bending test. And Ag NTEs exhibit a stable electronic performance with little change of sheet resistance. Its property to tolerate hundreds of mechanical bending test could be attributed to the flexibility of long Ag NWs and the benign adhesion to the substrate.

The bending test, including inner bending and outer bending. Both the bending radios are 1.5 cm. L'encart shows the bent Ag NTEs is still conductive over the whole surface. (R et R ₀ represent the sheet resistance of films before and after bending test, respectively)

Conclusions

In summary, Ag NWs with different aspect ratios varying from ca. 30 to ca. 1000 are prepared via a facile PVP-mediated polyol process and are applied to the fabrication of high-performance Ag NTEs with low-temperature sintering. In the polyol process, the diameters of Ag NWs are strikingly reduced and the aspect ratios reach almost 1000 when employing mixed PVP as the capping agent. Additionally, when the aspect ratios exceed 500, the optoelectronic performance of Ag NWs films show good transmittance (81.8–87.2%) and electronic conductivity (7.4–58.4 Ω/sq), comparable to those of commercial ITO films (85%, 45 Ω/sq). Furthermore, high-performance Ag NTEs with a transmittance of 91.6% and a sheet resistance of 11.4 Ω/sq are obtained, as the aspect ratios exceed 1000. The long nanowires and thin PVP layer lead to less number of nanowire junctions and reduced junction resistance, respectively. It allows low-temperature sintering of Ag NWs network, which is advantageous for the applications in the flexible plastic substrates. Moreover, Ag NTEs show excellent flexibility against the bending test. We believe that the ability to synthesize Ag NWs with different aspect ratios and fabricate high-performance NTEs with low-temperature welding are very valuable to the development of flexible electronic devices.