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韩国电气研究院：激光诱导光热反应制备高性能柔性 SWCNT/Cu 电极

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-10-13 08:27

正文

随着柔性电子技术的快速发展，对导电材料的柔韧性和导电性提出了更高的要求。碳纳米管（CNTs）因其优异的导电性和柔韧性而备受关注，但其导电性仍低于金属。为了克服这一局限性，研究人员将 CNTs 与金属纳米结构相结合，制备出兼具高导电性和柔韧性的复合材料。然而，传统的制备方法通常需要高温处理，这不仅限制了柔性基材的应用，而且增加了制造成本。近年来，光热反应作为一种高效、快速且环境友好的制备方法，逐渐受到关注。该技术利用高功率光源照射导电纳米材料，产生局部高温，从而引发材料的热分解或化学反应。本研究旨在利用激光诱导的光热反应，将 CNTs 与铜纳米颗粒相结合，制备出高性能的柔性电极材料。

论文概要

近日，韩国电气研究院Hee Jin Jeong研究员团队在《Nanomaterials》上发表了题为“Laser-Assisted Photo-Thermal Reaction for Ultrafast Synthesis of Single-Walled Carbon Nanotube/Copper Nanoparticles Hybrid Films as Flexible Electrodes”的论文。本文研究了一种通过激光辅助光热反应实现单壁碳纳米管与铜纳米颗粒复合材料的快速合成，并将其作为柔性印刷电子器件的电极。研究团队利用单壁碳纳米管产生的热能来还原铜配合物，形成铜纳米颗粒，进而制备出具有高导电性和机械稳定性的柔性电极。通过系统研究碳纳米管浓度和激光功率对电极结构和电学性能的影响，发现所制备的电极电导率最低可达46 μohm·cm，与金属基印刷电极相当。此外，该电极在经过1000次弯曲测试后仍表现出高稳定性和耐用性，且具有良好的温度升高和稳定的焦耳加热性能，在不到3.5伏的电压下即可达到近80摄氏度。

研究亮点

激光诱导光热反应制备：利用激光照射 CNTs，通过 π 带等离子体共振效应产生局部高温，快速还原铜配合物，实现 CNTs/Cu 混合材料的制备。
环境友好：该方法在常温常压下进行，无需真空或惰性气体保护，具有环境友好性。
高效快速：光热反应能够在短时间内完成材料的制备，效率高，速度快。
性能优异：制备的 SWCNT/Cu 电极具有良好的导电性和柔韧性，电阻率低至 46 µohm•cm，且在弯曲、扭曲和折叠等变形状态下仍能保持良好的性能。
图案化制备：利用激光直写技术，可以实现 SWCNT/Cu 电极的图案化制备，无需掩模，方便灵活。
多功能应用：SWCNT/Cu 电极可以作为柔性电极和电热薄膜加热器，具有广泛的应用前景。

图文概览

图 1 展示了激光诱导光热反应制备 SWCNT/Cu 电极的示意图。SWCNT/Cu 配合物溶液通过刮涂法涂覆在玻璃或 PET 基板上，然后利用 455 nm 激光进行照射。激光照射下，SWCNTs 吸收光能并转化为热能，导致局部温度升高，进而引发铜配合物的分解和还原，最终形成金属铜纳米颗粒。通过选择性照射，可以实现 SWCNT/Cu 电极的图案化制备。

图 2 通过 XRD、TG、DSC 和 SEM 等表征手段，研究了 SWCNT 浓度对光热反应制备 SWCNT/Cu 材料的影响。XRD 结果表明，随着 SWCNT 浓度的增加，Cu2O 的衍射峰强度逐渐减弱，而金属铜的衍射峰强度逐渐增强，说明 SWCNT 浓度的增加有利于铜配合物的还原。TG 和 DSC 结果表明，SWCNT 浓度的增加会导致材料在激光照射下温度升高，从而促进铜配合物的分解和还原。SEM 结果显示，随着 SWCNT 浓度的增加，SWCNTs 表面的铜氧化物缺陷逐渐消失，铜纳米颗粒的尺寸和形貌逐渐趋于均匀。

图 3 研究了激光功率对光热反应制备 SWCNT/Cu 材料的影响。XRD 结果表明，随着激光功率的增加，Cu2O 的衍射峰强度逐渐减弱，而金属铜的衍射峰强度逐渐增强，说明激光功率的增加有利于铜配合物的还原。SEM 结果显示，随着激光功率的增加，SWCNTs 表面的铜纳米颗粒逐渐增多，尺寸逐渐增大，且形貌逐渐趋于均匀。电导率测试结果表明，随着激光功率的增加，SWCNT/Cu 电极的电导率逐渐提高，说明激光功率的增加有利于提高电极的导电性能。

图 4 展示了激光诱导光热反应制备 SWCNT/Cu 电极的图案化制备过程。通过控制激光的功率、扫描速度和光斑大小，可以实现不同宽度线条的制备。SEM 结果显示，制备的线条形貌良好，表面缺陷较少，说明激光诱导光热反应可以实现 SWCNT/Cu 电极的精确图案化制备。

图 5 研究了 SWCNT/Cu 电极的柔韧性。通过 LED 照明和弯曲测试，结果表明 SWCNT/Cu 电极具有良好的柔韧性，在弯曲、扭曲和折叠等变形状态下仍能保持良好的导电性能。与纯铜电极相比，SWCNT/Cu 电极的电阻变化更小，说明 SWCNTs 可以有效提高电极的柔韧性。

图 6 研究了 SWCNT/Cu 电极的电热性能。通过施加电压，SWCNT/Cu 电极可以迅速升温，且温度分布均匀，说明 SWCNT/Cu 电极具有良好的电热性能。

总结展望

总之，本研究成功地利用激光诱导光热反应制备了高性能的 SWCNT/Cu 混合电极材料。通过控制 SWCNT 浓度和激光功率等参数，可以有效地调控材料的形貌和性能。制备的 SWCNT/Cu 电极具有良好的导电性、柔韧性和电热性能，在柔性电子器件、电热薄膜加热器等领域具有广阔的应用前景。该研究为柔性电极材料的制备提供了一种高效、快速且环境友好的新方法，具有重要的理论意义和应用价值。

文献信息：Mi-Jeong Kim, andHee Jin Jeong. Laser-Assisted Photo-Thermal Reaction for Ultrafast Synthesis of Single-Walled Carbon Nanotube/Copper Nanoparticles Hybrid Films as Flexible Electrodes. Nanomaterials 2024, 14(17), 1454; https://doi.org/10.3390/nano14171454

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