一种二次掺杂碳纳米管透明导电薄膜及其制备方法与流程

本发明涉及有机半导体，具体涉及一种二次掺杂碳纳米管透明导电薄膜及其制备方法。

背景技术：

1、透明柔性加热器(tfhs)是一个热门的研究领域，并且它们在实际生活中得到了广泛的应用，如智能窗、除冰霜装置、可穿戴电子设备和传感器等。目前，铟锡氧化物(ito)以其优异的导电性和透光性在透明导电薄膜(tcf)材料市场上占有主导地位。然而，ito由于其稀缺的铟资源、复杂的沉积工艺和较高的环境要求，以及其较差的机械柔韧性，不能满足柔性电子设备对tcf材料的额外要求，即轻质、高柔性和低成本，这限制了其在新型柔性可穿戴电子设备中的应用和发展。

2、市场对ito日益增长的需求促使研究人员探究ito的替代材料，包括碳纳米材料、金属纳米线、导电聚合物、金属网格和新型金属氧化物等。与其他候选材料相比，单壁碳纳米管(swcnts)具有非凡的导电性和透光性、高机械强度、较低的折射率和较少的雾度、简单的制备过程和优异的柔韧性。因此，基于cnts的tcfs非常吸引人，能被用于tfhs，并获得了众多研究人员的青睐。即使如此，由于cnts束之间的高接触电阻和团聚效应基于cnts的tcfs在提高其导电性方面仍然面临着巨大的挑战。

3、根据研究，掺杂被认为是提高cnt薄膜导电性的最有效方法之一。然而，大多数掺杂剂在不同的温度范围和湿度条件下没有足够的稳定性，这严重影响了薄膜的导电性。

4、因此，如何提供一种导电薄膜，使其既能提高薄膜的导电性，同时又保证薄膜的稳定性，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种二次掺杂碳纳米管透明导电薄膜及其制备方法，以解决现有技术中存在的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、根据本发明的第一方面，提供了一种二次掺杂碳纳米管透明导电薄膜，包括基底薄膜和导电层，所述基底薄膜上覆盖有所述导电层，所述导电层为二次p型掺杂的碳纳米管。

4、进一步地，所述基底薄膜为pet薄膜。

5、进一步地，所述导电层内的初级掺杂剂为磷钨酸(pta)，所述导电层内的二次掺杂剂为磷钨酸/金纳米粒子(pta/au)。

6、根据本发明的第二方面，提供了一种二次掺杂碳纳米管透明导电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

7、s1：碳纳米管分散液喷涂在pet薄膜上，并进行干燥处理；

8、s2：干燥后的碳纳米管薄膜浸渍在磷钨酸(pta)溶液中进行初级掺杂；

9、s3：制备磷钨酸/金纳米粒子(pta/au)混合溶液，初级掺杂后的碳纳米管薄膜浸渍在磷钨酸/金纳米粒子(pta/au)混合溶液中进行二次掺杂；

10、s4：将二次掺杂的碳纳米管薄膜从磷钨酸/金纳米粒子(pta/au)混合溶液中取出，用蒸馏水(di)清洗其表面的残留溶液，并将碳纳米管薄膜进行干燥。

11、进一步地，所述步骤s3中制备磷钨酸/金纳米粒子(pta/au)混合溶液的方法具体为：将异丙醇(ipa)和磷钨酸(pta)溶液以1∶200的体积比混合，用功率为500w的高压汞灯照射该溶液，在溶液变成深蓝色后，加入3-6ml的haucl4溶液，haucl4溶液与pta溶液的体积比为1∶10。

12、进一步地，所述步骤s3中碳纳米管薄膜进行二次掺杂时用高压汞灯继续照射，直到溶液转为红色。

13、进一步地，所述步骤s1具体为：cnt粉末经过超声分散、离心后获得分散性良好的导电分散液，并喷涂到pet薄膜上，然后将其干燥。

14、进一步地，所述步骤s4中用蒸馏水(di)清洗其表面的残留溶液后，将碳纳米管薄膜在80℃下进行干燥。

15、进一步地，所述碳纳米管为单壁碳纳米管(swcnts)，纯度为75-95wt.％，直径小于2纳米，长度大于5微米。

16、本发明具有如下优点：

17、1、pta作为一种keggin型结构的杂多酸，具有很强的稳定性，pta掺杂碳纳米管透明导电薄膜暴露在空气条件下一段时间后，面电阻变化率很小。

18、2、pta掺杂cnt薄膜的机理是通过提高吸附氧的氧化能力来实现薄膜的p型掺杂的。在掺杂过程中，pta没有直接参与氧化还原反应，实际的掺杂机制是pta分子的存在可以促进吸附氧对cnts的氧化能力，加强两者之间的电荷转移，增加载流子浓度，从而提高薄膜导电性，降低薄膜面电阻，从而实现p型掺杂目的。

19、3、pta在二次掺杂过程中作为还原剂，能够有效将haucl4还原为金纳米粒子，提高载流子浓度，降低cnt的费米能级，从而降低薄膜电阻，这一过程简单、高效、温和以及绿色。

技术特征：

1.一种二次掺杂碳纳米管透明导电薄膜，其特征在于，包括基底薄膜和导电层，所述基底薄膜上覆盖有所述导电层，所述导电层为二次p型掺杂的碳纳米管。

2.如权利要求1所述的二次掺杂碳纳米管透明导电薄膜，其特征在于，所述基底薄膜为pet薄膜。

3.如权利要求1所述的二次掺杂碳纳米管透明导电薄膜，其特征在于，所述导电层内的初级掺杂剂为磷钨酸(pta)，所述导电层内的二次掺杂剂为磷钨酸/金纳米粒子(pta/au)。

4.一种二次掺杂碳纳米管透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.如权利要求4所述的二次掺杂碳纳米管透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中制备磷钨酸/金纳米粒子(pta/au)混合溶液的方法具体为：将异丙醇(ipa)和磷钨酸(pta)溶液以1∶200的体积比混合，用功率为500w的高压汞灯照射该溶液，在溶液变成深蓝色后，加入3-6ml的haucl4溶液，haucl4溶液与pta溶液的体积比为1∶10。

6.如权利要求5所述的二次掺杂碳纳米管透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中碳纳米管薄膜进行二次掺杂时用高压汞灯继续照射，直到溶液转为红色。

7.如权利要求4所述的二次掺杂碳纳米管透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤s1具体为：cnt粉末经过超声分散、离心后获得分散性良好的导电分散液，并喷涂到pet薄膜上，然后将其干燥。

8.如权利要求4所述的二次掺杂碳纳米管透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中用蒸馏水(di)清洗其表面的残留溶液后，将碳纳米管薄膜在80℃下进行干燥。

9.如权利要求4所述的二次掺杂碳纳米管透明导电薄膜的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管为单壁碳纳米管(swcnts)，纯度为75-95wt.％，直径小于2纳米，长度大于5微米。

技术总结
本发明公开了一种二次掺杂碳纳米管透明导电薄膜及其制备方法，属于有机半导体技术领域，其中导电薄膜包括基底薄膜和导电层，基底薄膜上覆盖有导电层，导电层为二次p型掺杂的碳纳米管，基底薄膜为PET薄膜，导电层内的初级掺杂剂为磷钨酸(PTA)，导电层内的二次掺杂剂为磷钨酸/金纳米粒子(PTA/Au)。PTA掺杂CNT薄膜的机理是通过提高吸附氧的氧化能力来实现薄膜的p型掺杂的。在掺杂过程中，PTA没有直接参与氧化还原反应，实际的掺杂机制是PTA分子的存在可以促进吸附氧对CNTs的氧化能力，从而提高氧气与CNTs的氧化还原反应程度，从而实现p型掺杂目的；PTA在二次掺杂过程中作为还原剂，能够有效将HAuCl<subgt;4</subgt;还原为金纳米粒子，这一过程简单、高效、温和以及绿色。

技术研发人员：耿宏章,李敏,景立超
受保护的技术使用者：宁波碳源新材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13