碳纳米管透明导电薄膜的可控制备

      碳纳米管具有优异的电学性能、光学性能、力学性能和化学稳定性，碳纳米管组装成的薄膜具有十分突出的柔性，因此在柔性光伏器件、柔性储能器件、柔性显示器件、柔性传感器件和柔性电子学等领域具有良好的应用前景. 特别是作为柔性透明导电薄膜，碳纳米管薄膜具有极大的优势. 如何面向器件应用的要求，可控地制备高性能的碳纳米管薄膜，是这一领域研究的重点.

       透明导电薄膜是多种柔性器件中的关键组成部分. 理想的透明导电薄膜应同时具有良好的透光性能和导电性能. 由于大部分柔性器件主要在可见光波段工作，因此通常使用对波长为550 nm可见光的透过率（T）来衡量透明导电薄膜的透光性能. 对于薄膜材料，一般使用方阻（即薄膜电阻，Rsh，单位为Ω/sq. 或Ω/□）来衡量其导电性. 不同的柔性器件对透明导电薄膜的性能有着不同的要求. 通常，对于柔性光伏器件中的透明导电薄膜，在透光率为90%时方阻应小于100 Ω/sq. ，即其透明导电性能需达到100 Ω/sq. @90%T；在柔性显示器件中，透明导电薄膜的性能至少要达到100Ω/sq. @85%T；在柔性触控面板中，透明导电薄膜性能至少应达到500 Ω/sq. @85%T.

       氧化铟锡（ITO）是目前使用*广泛的透明电极材料. 它可以在高透光率（>85%）时仍具有较低的方阻（10~100 Ω/sq.）. 然而，ITO是一种脆性陶瓷材料，柔性较差，不利于其在柔性器件中的应用. 此外，铟元素的丰度较低，因此ITO成本较高. 柔性透明导电薄膜研究所面临的核心挑战，就是寻找可以同时满足导电、透光、柔性这三方面性能要求的材料. 当某一材料的透明导电薄膜性能超过100Ω/sq. @90%T 这一标准时，这种材料就基本满足了在器件应用中替代ITO的要求. 目前，柔性透明导电薄膜的研究主要集中于金属纳米线、石墨烯和碳纳米管等材料.

       金属纳米线薄膜由于金属的高导电性和低表面电阻，在触摸显示屏中具有应用优势，但存在稳定性较差和环境光反射率高的问题. 石墨烯和碳纳米管都具有良好的导电性. 但石墨烯薄膜的抗拉伸性能较差，拉伸后其性能明显下降. 相比而言，碳纳米管薄膜具有柔性突出、导电性良好、化学稳定性强、光谱范围宽等特点，是非常理想的柔性透明导电薄膜.

       本文介绍了碳纳米管柔性透明导电薄膜的制备方法，并重点讨论了调控碳纳米管薄膜的导电性能和透光性能的方法.

       单壁碳纳米管柔性透明导电薄膜展现出了**的应用前景，有望成为多种柔性器件中透明电极的解决方案. 在过去10余年间，研究者对于碳纳米管薄膜的可控制备积累了丰富的经验，并向着碳纳米管透明导电薄膜的实用化稳步推进. 通过在FCCVD生长过程中限制碳纳米管的团聚、增加碳纳米管的长度以及增大碳纳米管的直径，直接生长出的碳纳米管薄膜的性能已经接近甚至超过100 Ω/sq. @90%T 的标准，并且可以通过掺杂进行进一步的提高. 通过卷对卷沉积装置，碳纳米管薄膜已经可以实现米级尺寸的制备. 这些结果预示着碳纳米管透明导电薄膜的商业化应用可能就在不远的将来.

       为了进一步推动碳纳米管透明导电薄膜的应用，对于碳纳米管FCCVD生长过程的深入理解和细致调控是必不可少的. 首先，对催化剂尺寸分布的控制可能是进一步的研究重点之一. 目前，在FCCVD过程中，对于催化剂尺寸的控制仍是一个挑战. 而控制催化剂的尺寸分布是控制碳纳米管直径分布，进而调控其带隙等诸多性质的基础. 通过催化剂的合理设计，例如引入适当的载体或可以起到稳定作用的**元金属，是解决这一问题的可能方法之一. 其次，目前FCCVD生长碳纳米管薄膜的催化剂主要集中于Fe这一种金属. 对于催化剂组成的调控有利于实现碳纳米管的结构可控生长. 但是，FCCVD生长过程要求催化剂可以漂浮在气相中. 在对催化剂组成的调控中如何有效地满足这一条件仍是一个挑战. 第三，研究者已经发展了多种在CVD过程中实现碳纳米管导电性控制的策略，但是这些策略尚未能在FCCVD生长中得以应用. 如果可以借鉴这些策略，在FCCVD生长中实现碳纳米管的导电性控制，例如直接生长半导体性碳纳米管薄膜，将极大地拓宽碳纳米管薄膜的应用范围. 第四，虽然掺杂可以有效地提高碳纳米管薄膜的导电性能，但目前的掺杂剂往往稳定性欠佳. 开发稳定、高效并且可以与后续器件制作工艺相兼容的掺杂剂，不仅可以稳定地提高碳纳米管薄膜的性能，还可以增加实际应用中对于直接生长出的碳纳米管薄膜性能波动的容忍程度. 这对于推动碳纳米管薄膜的实用化有着重要意义.