Síntesis fácil de nanocables de plata con diferentes relaciones de aspecto y utilizados como electrodos transparentes flexibles de alto rendimiento

Antecedentes

Los electrodos transparentes flexibles (FTE) juegan un papel importante en la próxima generación de electrónica flexible [1, 2, 3, 4]. Los FTE se pueden aplicar a muchos dispositivos optoelectrónicos como componentes conductores, que incluyen pantallas táctiles [5, 6], células solares portátiles [7, 8], diodos emisores de luz orgánicos (OLED) [9,10,11], electrodo de pila de combustible [ 12, 13, 14, 15, 16, 17], sensores [18, 19], filtro de partículas [20], calentadores transparentes [21, 22] y dispositivos electrónicos portátiles [23, 24]. El electrodo transparente dominante (TE) utilizado actualmente es el óxido de indio y estaño (ITO) debido a la baja resistencia de la hoja (<100 Ω / sq) y la alta transmitancia (> 80%). Pero su fragilidad intrínseca limita las aplicaciones en la electrónica flexible. Además, requiere un proceso de deposición a alta temperatura y es desafiado por la escasez de indio [25, 26, 27]. Por lo tanto, varias películas conductoras nuevas con buena flexibilidad y transparencia óptica, como rejillas metálicas [2, 28, 29], nanotubos de carbono (CNT) [30,31,32,33], grafeno [34,35,36], Ag NW [5, 37,38,39,40,41], Cu NW [42, 43], polímeros conductores [44, 45] e híbridos de estos [46,47,48], se han fabricado, esforzándose por reemplazar ITO. Entre estos candidatos, las películas de Ag NW se han investigado extensamente tanto en las instituciones científicas como en las industriales, debido a la excelente conductividad eléctrica y la alta transparencia óptica. Además, los Ag NW exhiben una flexibilidad y capacidad de estiramiento sobresalientes, que es una de las atractivas ventajas de fabricar conductores transparentes extensibles que los frágiles ITO [49,50,51]. Además, las películas de Ag NW procesadas en solución son más rentables que las de ITO. Todas estas propiedades hacen que las películas de Ag NW se conviertan en alternativas prometedoras a las ITO para las aplicaciones en la electrónica flexible.

Sin embargo, es necesario abordar varias cuestiones para comercializar películas de Ag NW como FTE. En primer lugar, los Ag NW con diferentes relaciones de aspecto deben sintetizarse fácilmente de manera controlada porque las propiedades atractivas de las películas de Ag NW dependen en gran medida de las dimensiones de los Ag NW y una longitud y un diámetro bien diseñados son de gran importancia para diferentes aplicaciones [52, 53]. Generalmente, el proceso de poliol es el método más utilizado para preparar Ag NW. Ran y col. [54] sintetizó Ag NW delgadas con relaciones de aspecto superiores a 1000 mediante el uso de PVP mixto con un peso molecular medio de 58.000 y 1.300.000 como agente de remate. Sin embargo, la influencia de las relaciones de aspecto en el rendimiento optoelectrónico de Ag NTE no se investigó cuidadosamente en su trabajo. Aunque Ding et al. [55] preparó Ag NW con diferentes diámetros que varían de 40 a 110 nm y fabricó Ag NTE con una transmitancia del 87% y una resistencia de hoja de aproximadamente 70 Ω / sq, muchos parámetros deben ajustarse simultáneamente para controlar los diámetros de Ag Los NW y el rendimiento optoelectrónico de los Ag NTE obtenidos no serían satisfactorios. Li y col. [56] sintetizó Ag NW delgadas con diámetros de 20 nm mediante la alteración de la concentración de bromuro. Y han fabricado películas de Ag NW de alta calidad con una transmitancia del 99,1% a 130,0 Ω / sq. Ko y col. [57] desarrolló un método de crecimiento de múltiples pasos para sintetizar Ag NWs muy largos de más de varios cientos de micrómetros y las películas fabricadas demostraron una transmitancia superior del 90% con una resistencia laminar de 19 Ω / sq. El rendimiento optoelectrónico de estas películas Ag NWs es comparable o incluso mejor que el de las películas ITO. Pero la relación de aspecto mínima de los Ag NW, que tiene la capacidad de fabricar TEs que rivalizan con las ITO comerciales en términos de resistencia de la hoja y transmitancia, aún es incierta. Por lo tanto, es necesario sintetizar Ag NW con varias relaciones de aspecto y estudiar su influencia en el rendimiento optoelectrónico de las películas de Ag NW.

Además, la conductividad electrónica de las películas de Ag NW es relativamente pobre, como resultado de la alta resistencia de la unión de nanocables [58]. En la síntesis de poliol de Ag NW, PVP, como tensioactivo, se adsorbe en la superficie de Ag NW, lo que resulta en un contacto aislado entre los cables en la red aleatoria [59, 60]. En consecuencia, diferentes posprocesos físicos y químicos, que incluyen recocido térmico [38, 39, 61, 62], prensa mecánica [63], nano soldadura con polímeros conductores [64], soldadura plasmónica [65], nano soldadura láser [66,67, 68], y la integración con otros materiales [60], se han explorado para reducir la resistencia de la unión. Entre estos postratamientos, se suele emplear el recocido térmico a casi 200 ° C. Es incompatible con sustratos plásticos flexibles que no pueden soportar altas temperaturas y, por lo tanto, limita las aplicaciones de películas de Ag NW en dispositivos optoelectrónicos flexibles.

Aquí, una serie de Ag NW con diferentes relaciones de aspecto que varían de ca. 30 hasta ca. 1000 se sintetizan de forma controlable y se utilizan para fabricar Ag NTE transparentes y de alta conductividad. En primer lugar, los Ag NW se preparan mediante un sencillo proceso de poliol mediado por PVP en el que la mezcla de PVP con un peso molecular medio diferente puede reducir eficazmente los diámetros. Posteriormente, los Ag NW sintetizados con diferentes relaciones de aspecto se emplean para fabricar películas de Ag NW sin recocido a alta temperatura, respectivamente. Y el rendimiento optoelectrónico correspondiente se investiga comparativamente. La mejor resistencia de la hoja y la transmitancia paralela pueden alcanzar 11,4 Ω / sq y 91,6% cuando las relaciones de aspecto alcanzan casi 1000. Además, la resistencia de la hoja de las películas de Ag NWs tal como se fabrican es casi constante después de las pruebas de flexión interna y externa.

Métodos

Materiales y productos químicos

Nitrato de plata (AgNO ₃ , AR) y etanol anhidro (C ₂ H ₅ OH, AR) se adquirieron de Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. Deshidratado de cloruro de cobre (II) (CuCl ₂ · 2H ₂ O, AR) y PVP (MW≈58,000, marcado como PVP-58) se compraron a Shanghai Aladdin Reagents Co., Ltd.Etilenglicol (EG, 98%) y PVP (MW≈10,000, 40,000 y 360,000, marcado como PVP -10, PVP-40 y PVP-360, respectivamente) se adquirieron de Sigma-Aldrich. Se utilizó agua desionizada (18,2 MΩ) en todos los experimentos.

Síntesis de Ag NWs

Los Ag NW con diferentes proporciones de aspecto se preparan mediante un sencillo proceso de poliol mediado por PVP en un solo recipiente. Normalmente, 0,170 g de AgNO ₃ se disuelve en 10 mL de EG bajo agitación magnética. Luego, 0.15 M de PVP-40 y 0.111 mM de CuCl ₂ · 2H ₂ Se añade gota a gota una solución mixta en 10 ml de EG a la solución anterior. Posteriormente, la mezcla se transfiere a un autoclave de acero inoxidable con revestimiento de teflón con una capacidad de 50 mL y se calienta a 160 ° C durante 3 h. Después de enfriar a temperatura ambiente de forma natural, se obtienen Ag NW puros por centrifugación a una velocidad de 2500 rpm durante 5 min y se lavan tres veces con etanol y agua desionizada. Finalmente, los productos se dispersan en etanol para su posterior caracterización y aplicación. Además, la concentración y el peso molecular medio de PVP son muy importantes para controlar la morfología y el tamaño de los productos. Por lo tanto, se utilizan simultáneamente diferentes tipos de moléculas de PVP para regular los diámetros de Ag NW en el proceso de poliol. Los parámetros experimentales detallados se enumeran en el archivo adicional 1:Tabla S1, designados como S1-S13, respectivamente.

Fabricación de NTE agrícolas

El tereftalato de polietileno (PET) con un espesor de 150 μm se corta en pedazos con una dimensión de 20 × 20 mm. Brevemente, las Ag NW preparadas se dispersan en etanol (6 mg / ml) y se reviste por centrifugación 50 μL de solución de Ag NW a 2000 rpm durante 30 s en un sustrato de PET. Finalmente, las películas de Ag NWs se calientan a 140 ° C durante 15 minutos sin ningún tratamiento posterior al proceso adicional. Las relaciones de aspecto de Ag NW, la velocidad de rotación, la concentración y el volumen de la solución de Ag NW se investigan para fabricar NTE de alta calidad. Con respecto al recubrimiento por rotación repetida, cada volumen de solución de Ag NW se modifica a 25 μL y la velocidad de rotación se establece en 2000 rpm. Se necesita un intervalo de tiempo en cada recubrimiento por centrifugación para volatilizar el etanol. Otros parámetros son los mismos que los procesos antes mencionados.

Prueba de caracterización y rendimiento

Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) se registran usando un SEM de emisión de campo frío (Hitachi S-4800). Las imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) y TEM de alta resolución (HRTEM) se obtienen utilizando un JEOL JEM-2100F. Los espectros de absorción UV-vis de Ag NW y los espectros de transmitancia óptica de películas de Ag NW se llevan a cabo en un espectrofotómetro Shimadzu UV-3600. La resistencia de la hoja se mide a temperatura ambiente utilizando un probador de resistencia de sonda de 4 puntos (FP-001).

Resultados y discusión

Generalmente, los Ag NW se sintetizan mediante un proceso de poliol en el que se emplea PVP como agente de remate para asegurar el crecimiento de Ag NW unidimensionales [69, 70]. Durante la síntesis, muchos parámetros como la temperatura de reacción, la velocidad de agitación, la concentración de PVP, la longitud de la cadena de PVP, los agentes aditivos y la proporción de sustancias químicas pueden afectar el rendimiento y la morfología de los Ag NW sintetizados. Por ejemplo, una temperatura de reacción inapropiada inferior a 110 ° C o superior a 180 ° C permite que más átomos de Ag formen nanopartículas (NP) de Ag en lugar de Ag NW [70, 71]. La longitud de los Ag NW sintetizados aumenta a medida que se ralentiza la velocidad de agitación [72, 73]. En este artículo, investigamos principalmente la concentración de PVP y su peso molecular promedio sobre el efecto de la morfología y el tamaño de los Ag NW. La morfología correspondiente y la distribución de tamaño de Ag NW se muestran en la Fig. 1 y el archivo adicional 1:Figura S1. En primer lugar, la concentración de PVP aumenta de 0,05 M (muestra S1, archivo adicional 1:Figura S1a) a 0,15 M (muestra S2, Fig. 1a). La morfología correspondiente de los productos cambia de NP de Ag casi esféricas a NW de Ag puro con un diámetro medio de 104,4 nm y una longitud de 12,3 µm. La mezcla de Ag NW y Ag NP se observa cuando la concentración de PVP aumenta a 0,25 M (muestra S3, archivo adicional 1:Figura S1b). Al aumentar aún más la concentración de PVP a 0,55 M (muestra S4, archivo adicional 1:Figura S1c), se forma un gran número de NP de Ag con diferentes formas (incluida la casi esfera y la placa triangular). Los resultados indican que una concentración más baja o más alta de PVP no es beneficiosa para producir Ag NW puros, lo que además da como resultado la ausencia de Ag NW. La formación de NP de Ag en los productos al cambiar la concentración de PVP se puede atribuir al fracaso del crecimiento anisotrópico en toda la superficie de las nanopartículas macladas múltiples (MTP) [69, 74].

un , b Imágenes SEM de Ag NW sintetizados con PVP-40 y PVP-360, respectivamente. Ambas concentraciones de PVP son 0,15 M. a ′ b ′ Distribución estadística correspondiente de diámetro y longitud. (Las inserciones en a y b son las imágenes SEM correspondientes con gran aumento y todas las barras de escala son 500 nm)

Además, también se discute la influencia de PVP con diferente peso molecular en la morfología y tamaño de Ag NW. Solo se producen NP de Ag y nanobarras agregadas cuando se usa PVP-10 (muestra S5, archivo adicional 1:Figura S1d). Cuando se emplean por separado PVP-58 (muestra S6, archivo adicional 1:Figura S1e) y PVP-360 (muestra S7, Fig.1b), la morfología y el tamaño correspondientes de los productos se cambian de los Ag NW rechonchos (con un diámetro promedio de 235 nm y longitud de 6,7 μm) a NW de Ag de alta relación de aspecto (con un diámetro medio de 132,1 nm y una longitud de 69,9 μm). De acuerdo con los resultados mencionados anteriormente de las muestras S2, S5, S6 y S7, el peso molecular promedio de PVP no solo juega un papel vital en la formación morfológica de Ag NW, sino que también tiene una influencia significativa en el diámetro y la longitud de los productos de Ag NW. . La influencia de PVP con diferente peso molecular medio sobre la morfología y el tamaño de los Ag NW se puede atribuir a tres factores:(i) PVP como agente de remate prefiere adsorber en las caras laterales de los MTP [69]. La fuerte adsorción química promueve el crecimiento de NW de Ag largos [75]. (ii) El efecto estérico de la capa de recubrimiento de PVP permite que los átomos de plata se depositen en las caras laterales a través del espacio entre las moléculas de PVP adyacentes, lo que da como resultado la formación de NW de Ag gruesos [54]. (iii) La alta viscosidad de PVP con alto peso molecular promedio en la solución de EG ralentizaría la tasa de crecimiento, lo que resulta beneficioso para formar MTP [76, 77]. Como resultado, el bajo peso molecular promedio de PVP, como PVP-10, no se adsorbería eficientemente en las caras de cristal (100) para restringir el crecimiento lateral. Mientras tanto, el pequeño efecto estérico y la baja viscosidad no evitarían la agregación de nanoestructuras de plata. PVP con alto peso molecular, como PVP-360, posee una fuerte adsorción química en las caras laterales para producir Ag NW largos. Pero el gran efecto estérico de PVP-360 conduciría al aumento de diámetro.

Para obtener relaciones de aspecto elevadas de Ag NW, la fuerza de adsorción y el efecto estérico deben alcanzar un estado de equilibrio en el sistema mediado por PVP. Por lo tanto, las moléculas de PVP mixtas en diferentes proporciones molares se emplean como agente de remate y la morfología correspondiente y la distribución de tamaño de Ag NW se muestran en la Fig. 2 y el archivo adicional 1:Figura S2. Al mezclar PVP-58 con PVP-40 en la relación molar de 1:1, se obtienen Ag NW con un diámetro medio de 47,5 nm y una longitud de 16,1 μm. Mientras que la relación molar de PVP-40 y PVP-58 se ajusta a 1:2 o 2:1, el diámetro de Ag NW aumenta. Además, las relaciones de aspecto de los Ag NW aumentan drásticamente al mezclar PVP-40 con PVP-360 porque los diámetros se reducen significativamente. Cuando la relación molar de PVP-40 y PVP-360 es 1:1, las relaciones de aspecto alcanzan casi 1000 y los diámetros tienen una distribución más uniforme como se muestra en la Fig. 2e.

Imágenes SEM de Ag NW sintetizadas utilizando diferentes moléculas de PVP mixtas. 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, respectivamente. Toda la concentración total de PVP es 0,15 M, y diferentes moléculas de PVP se mezclan en una relación molar. (Las inserciones en a - f son las imágenes SEM correspondientes con gran aumento y todas las barras de escala son 500 nm)

La influencia de la PVP mixta con diferentes longitudes de cadena sobre los diámetros de Ag NW se podría interpretar brevemente en el Esquema 1a. Las moléculas de PVP de cadena larga pueden retardar el crecimiento lateral de Ag NW debido a la fuerte adsorción a las (100) facetas. El gran efecto estérico, resultante de las cadenas largas, genera una distancia relativamente grande entre las moléculas de PVP adyacentes. Los átomos de Ag todavía pueden depositarse en la superficie de Ag NW por difusión a través del espacio entre las moléculas de PVP adyacentes, y se producen Ag NW gruesos. Cuando se usa el PVP mixto con diferente longitud de cadena, el PVP de cadena corta puede llenar el espacio entre el PVP de cadena larga. Por lo tanto, las facetas (100) pueden pasivarse de manera más eficiente, lo que lleva a la formación de semillas de Ag más pequeñas y NW de Ag más delgadas [76]. Como se muestra en el Esquema 1b, en nuestro trabajo se obtienen Ag NW con relaciones de aspecto típicas. Se podría conjeturar que se pueden producir Ag NW con una relación de aspecto más alta a través de esta ruta experimental.

un Ilustración esquemática del mecanismo de crecimiento de Ag NW utilizando PVP mixta con diferente longitud de cadena. b Se obtienen Ag NW de diferente relación de aspecto mediante el proceso de poliol mediado por PVP

La microestructura y morfología de Ag NW se caracterizan por TEM y se demuestran en la Fig. 3a, b. El único nanoalambre está recubierto por una fina capa de PVP con un grosor de aprox. 2 nm. La Figura 3c muestra la imagen HRTEM de Ag NW con una buena estructura cristalina. La imagen HRTEM muestra claramente que los espacios entre las franjas periódicas son 0,235 y 0,202 nm, en buena correspondencia con los espacios del plano cristalino para los planos (111) y (200) de Ag cúbico centrado en la cara (fcc). Mientras tanto, los Ag NW crecen a lo largo de la dirección [110], como lo marca la flecha blanca, y es similar a los resultados de los informes anteriores [70, 76].

TEM ( a , b ) y HRTEM ( c ) imágenes de Ag NW sintetizadas al mezclar PVP-40 con PVP-360 (en una relación molar de 1:1)

Como se muestra en la Fig. 4, los espectros de absorción UV-visible de los Ag NW preparados son diferentes de los de los Ag NP cuasi esféricos. Los espectros de Ag NW aparecen picos característicos dobles. Un pico de hombro situado a unos 350 nm podría atribuirse a la resonancia de plasmón de la película de plata a granel [70, 78]. El segundo pico podría atribuirse al modo plasmón transversal de Ag NW, y la posición del pico está relacionada con las dimensiones de las nanoestructuras de plata [79]. Mientras que el pico de alrededor de 570 nm, resultante de la resonancia de plasmón longitudinal, está ausente en los espectros porque las relaciones de aspecto de los Ag NW preparados son mucho más de 5 [70, 80]. Además, como está marcado por la línea verde discontinua, el segundo pico tiene un cambio a rojo con el aumento de los diámetros. Sin embargo, cabe señalar que no hay un pico obvio cuando los diámetros de Ag NW se hacen más grandes. Para Ag NW de la muestra S6 (diámetro medio de 235 nm) y S10 (diámetro medio de 222,8 nm), los máximos de intensidad de absorción se sitúan en la longitud de onda de 408,5 y 406,5 nm, respectivamente. Son más pequeños que la longitud de onda máxima de Ag NW con diámetros más pequeños de la muestra S7 (diámetro promedio de 132,1 nm, la longitud de onda máxima es 412 nm), lo que indica el desprendimiento de la tendencia al rojo de la longitud de onda máxima derecha con diámetros más grandes.

Espectros de absorción UV-visible de Ag NW preparados con diferentes diámetros

Es necesario optimizar el proceso de recubrimiento por rotación para fabricar películas de Ag NW de alta calidad. Como se muestra en la Fig. 5a, se observa que la resistencia de la hoja aumenta a medida que aumenta la velocidad de rotación porque disminuye el número de Ag NW que se adhieren a la superficie del PET, lo que da como resultado la disminución de la conductividad. Además, cabe destacar que la resistencia de la hoja disminuye significativamente a 19,6 Ω / sq cuando se usa la solución de 8 mg / mL de Ag NW. Y disminuye casi cinco veces en comparación con el uso de 6 mg / mL, lo que podría atribuirse a la formación de rutas de percolación conductora más eficientes en la red de Ag NW, mientras que algunos aglomerados macroscópicos de Ag NW aparecen a medida que la concentración aumenta a 8 mg / mL. Luego, se lleva a cabo el proceso repetido de recubrimiento por rotación. Como se muestra en la Fig. 5b, tanto la transmitancia como la resistencia de la hoja disminuyen a medida que aumentan los tiempos de recubrimiento por rotación. Más importante aún, cuando el volumen de solución de Ag NW se agrega de 50 a 75 μL, la resistencia de la hoja disminuye drásticamente de 98,46 a 11,87 Ω / sq. A medida que el volumen aumenta aún más a 100 μL, la resistencia de la hoja disminuye a 10,42 Ω / sq con una transmitancia del 80,95%. Indica que la densidad de los nanocables en las redes conductoras transparentes nanoestructuradas puede alcanzar el punto de inflexión en el que se produce la transición del comportamiento de percolación al comportamiento a granel [81], cuando el volumen se añade a 75 μL. Además, para evaluar el desempeño de los NTE, se calcula la figura de mérito (FOM) que correlaciona la transmitancia con la resistencia de la hoja. Generalmente, la transmitancia ( T _λ ) y resistencia de la hoja ( R _s ) de una fina película metálica satisfacen las siguientes ecuaciones. (1):

$$ {T} _ {\ lambda} ={\ left (1+ \ frac {188.5} {R _ {\ mathrm {S}}} \ frac {\ sigma _ {\ mathrm {op}} \ left (\ lambda \ right)} {\ sigma_ {DC}} \ right)} ^ {- 2} $$ (1)

un Resistencia laminar de las películas de Ag NW frente a la velocidad de recubrimiento por rotación a diferentes concentraciones de Ag NW. b Comparación del rendimiento optoelectrónico de Ag NTE fabricados por diferentes volúmenes de soluciones de Ag NW. La concentración de la solución de Ag NW es de 6 mg / mL y el volumen de cada recubrimiento por rotación es de 25 μL. El recuadro son los valores de FOM de las películas de Ag NW frente al volumen de la solución de Ag NW. c - f Imágenes SEM de películas de Ag NW fabricadas con diferentes volúmenes de soluciones de Ag NW, c 25 μL, d 50 μL, e 75 μL, f 100 μL, respectivamente. Todas las barras de escala son de 5 μm

σ _op (λ) es la conductividad óptica y σ _DC es la conductividad de corriente continua de la película [37]. El valor de σ _{DC /} σ _op (λ) se emplean como FOM. Y un valor más alto de FOM significa un mejor rendimiento optoelectrónico. El recuadro de la Fig. 5b muestra los valores de FOM de NTE fabricados por diferentes volúmenes de soluciones de Ag NW. Cuando el volumen se agrega a 75 μL, los Ag NW tienen el valor de FOM más alto, aumentando drásticamente de 23,3 a 162,6. Indica que se logra el equilibrio entre baja resistencia de la hoja y alta transmitancia cuando se implementa tres veces de recubrimiento por rotación. Además, la Fig. 5c-f muestra las imágenes SEM de películas de Ag NW en PET con diferentes densidades, correspondientes al volumen de soluciones de Ag NW para 25, 50, 75 y 100 µl, respectivamente. A partir de las imágenes, es obvio que las redes de Ag NW se vuelven cada vez más densas y la distribución de Ag NW es más uniforme, a medida que aumenta el volumen de la solución de Ag NW. Por lo tanto, el proceso repetido de recubrimiento por rotación está disponible para fabricar películas de nanocables Ag uniformes con varias transmitancia y resistencia de la hoja para diferentes aplicaciones.

Para su aplicación en NTE, las uniones de nanocables tienen una influencia significativa en la conductividad de la red aleatoria de Ag NW [58]. En el proceso de poliol, los Ag NW sintetizados retienen una capa de PVP aislada residual, lo que da como resultado una alta resistencia en las uniones y el deterioro de la conductividad. Lee y col. [59] informó que el lavado repetido con solvente puede reducir la capa de PVP de aprox. 4 nm a 0,5 nm y permite la soldadura a temperatura ambiente de los Ag NW superpuestos. De manera similar, repetimos lavar los Ag NW sintetizados tres veces con alcohol etílico para eliminar la capa de PVP tanto como fuera posible. Como los resultados mencionados anteriormente en la Fig. 3a, queda una capa fina de PVP con un espesor de 2 nm. No solo puede reducir de manera eficiente la resistencia de la unión, sino que también puede garantizar la buena dispersión de Ag NW en el solvente. Por otro lado, para palos sin ancho en dos dimensiones, la densidad de números críticos ( N _c ) de palos para crear una red de percolación viene dada por Eq. (2):

$$ {N} _c \ times {L} ^ 2 =5.71 $$ (2)

L es la longitud de los nanocables [52]. Esta ecuación implica que la densidad numérica de Ag NW requerida para la red de percolación es inversamente proporcional al cuadrado de la longitud. Por lo tanto, los nanocables largos tienden a construir una red de filtración dispersa y efectiva con una densidad de números baja. No solo puede aumentar la transmisión de luz, sino también mejorar la conductividad mediante la construcción de rutas de percolación largas con menos uniones de nanocables.

La Figura 6a muestra la comparación del rendimiento optoelectrónico de NTE fabricados por Ag NW con diferentes relaciones de aspecto. Para las muestras S2 y S9, la ampliación de la transmitancia paralela podría atribuirse a los diámetros más pequeños que se redujeron de 104,4 a 47,5 nm porque los nanocables con diámetros más pequeños pueden dispersar menos luz, lo que lleva a una mayor disminución de la neblina. A medida que las relaciones de aspecto superan 500 (muestra S7), se obtienen películas de Ag NW con una transmitancia paralela del 81,8% (87,2%) y una resistencia de la hoja de 7,4 Ω / sq (58,4 Ω / sq). El rendimiento optoelectrónico es comparable al de las películas ITO comerciales (85%, 55 Ω / sq) [5]. Además, cuando las relaciones de aspecto alcanzan casi 1000 (muestra S12), las películas Ag NW muestran una transmitancia (91,6–95,0%) y una conductividad electrónica (11,4–51,1 Ω / sq) superiores que las películas ITO. Cumplen suficientemente los requisitos de rendimiento de los TEs en la aplicación de células solares o pantallas táctiles. Además, como se muestra en la Fig. 6b, el mayor valor de FOM alcanza 387, más alto que muchos otros valores reportados de varios TEs [62, 73]. El excelente rendimiento podría atribuirse a los Ag NW largos y delgados. Además, cabe señalar que el valor de FOM aumenta drásticamente de 89 a 224 cuando las relaciones de aspecto aumentan de 339 (muestra S9) a 529 (muestra S7). La razón principal es probablemente que los Ag NW más largos de la muestra S7 forman una red de percolación más eficaz con un número menor de nanocables, lo que conduce a una transmisión de luz mucho mayor a través de la red de Ag NW. Indica que la estrategia de Ag NW largos es una forma fácil y eficaz de obtener NTE con un rendimiento optoelectrónico prometedor, cuando los Ag NW delgados con un diámetro inferior a 20 nm no se sintetizan con éxito [52, 67]. La Figura 6c demuestra los espectros de transmitancia óptica de películas de Ag NW fabricadas a partir de la muestra S12. Los espectros muestran una amplia región plana desde la luz visible hasta la longitud de onda del infrarrojo cercano, lo que puede mejorar el rango de utilización de la luz y es ventajoso para aplicaciones de visualización y células solares, mientras que la transmitancia de las películas ITO muestra una fluctuación dramática en la región de la luz visible [7 ].

un Comparación del rendimiento optoelectrónico de NTE fabricados por Ag NW con diferentes relaciones de aspecto (AR). b Los mejores valores de FOM de las películas de Ag NW frente al AR de Ag NW. c Los espectros de transmitancia óptica de películas de Ag NW fabricadas a partir de la muestra S12. d Figura de mérito percolativo ( П ), representado frente a exponentes de conductividad ( n ). Las líneas continuas se grafican en las combinaciones dadas de transmitancia ( T ) y resistencia de la hoja ( R _s ), calculado a partir de la ec. (3). Los datos trazados de grafeno, SWNT, Cu NW, Ag NW son de informes publicados recientemente [37, 67, 81]. El símbolo de estrella representa los resultados de las películas de Ag NW fabricadas con la muestra S12 de este trabajo

Para evaluar más a fondo el rendimiento optoelectrónico de las redes Ag NW, el FOM percolativo, П , fue propuesto en la Eq. (3) de De et al. [81]:

$$ T ={\ left [1+ \ frac {1} {\ varPi} {\ left (\ frac {Z_0} {R _ {\ mathrm {S}}} \ right)} ^ {\ frac {1} { n + 1}} \ right]} ^ {- 2} $$ (3)

Z ₀ es la impedancia del espacio libre (377 Ω). T y R _s representan la transmitancia y la resistencia laminar de las películas de Ag NW, respectivamente. Valores altos de П significa baja resistencia de la hoja y alta transmitancia. FOM percolativo ( П ) y exponente de conductividad ( n ) en este trabajo se calculan en 89,8 y 1,50 utilizando la Ec. (3), respectivamente. El valor de percolación de FOM es más alto que otros valores reportados de varios ET (mostrados en la Fig. 6d). Podría atribuirse a dos razones:La fina capa de PVP (aprox. 2 nm) puede reducir eficazmente la resistencia de la unión de nanocables. Por otro lado, los Ag NW largos (ca. 71,0 μm) forman largas rutas conductoras en las redes de percolación, lo que resulta en la disminución del número de uniones. Curiosamente, el valor de n es un exponente no universal que se ha relacionado con la presencia de una distribución de resistencia de unión de nanocables [82,83,84]. Lee y col. [67] utilizó un proceso de nano-soldadura láser para reducir la resistencia de la unión de nanocables y el valor de n se calcula en 1,57. El valor se acerca a eso en nuestro trabajo. Sugiere además que la fina capa de PVP y los Ag NW largos son eficientes para permitir la soldadura a baja temperatura de la red de Ag NW.

La Figura 7a muestra fotografías ópticas de la película uniforme de Ag NW en PET. La película es muy transparente ya que la insignia de la escuela en el fondo se puede ver claramente a través de la película. Figura 7b, Archivo adicional 1:Figura S3 y Archivo adicional 2:El video S1 muestra que la película Ag NWs en PET enciende la bombilla LED cuando se aplica un voltaje bajo. Indica que toda la superficie de la película de Ag NW es altamente conductora. Además, la película Ag NW es muy flexible, como se muestra en la 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. El recuadro shows the bent Ag NTEs is still conductive over the whole surface. ( R y R ₀ represent the sheet resistance of films before and after bending test, respectively)

Conclusiones

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.

Fabricación de nanocompuestos de Yolk-Shell Cu @ C como catalizadores de alto rendimiento en la carbonilación oxidativa de metanol a carbonato de dimetilo Cristalización dependiente de la temperatura de nanoflakes de MoS2 en nanohojas de grafeno para electrocatálisis