Síntese fácil de nanofios de cobre ultralongos e finos e sua aplicação em eletrodos condutores transparentes flexíveis de alto desempenho

Resumo

Um método hidrotérmico para sintetizar nanofios de cobre ultralongos e finos (CuNWs) com diâmetro médio de 35 nm e comprimento médio de 100 μ m é demonstrado neste artigo. As matérias-primas concernentes incluem cloreto cóprico (II) di-hidratado (CuCl ₂ · 2H ₂ O), octadecilamina (ODA) e ácido ascórbico, todos muito baratos e atóxicos. O efeito de diferentes tempos de reação e diferentes razões molares para os produtos de reação foram pesquisados. Os CuNWs preparados pelo método hidrotérmico foram aplicados para fabricar eletrodo condutor transparente CuNW (TCE), que exibiu excelente desempenho de condutividade-transmitância com baixa resistência de folha de 26,23 \ (\ Omega / \ square \) e alta transparência em 550 nm de 89,06% (excluindo substrato de tereftalato de polietileno (PET)). O processo de fabricação do eletrodo foi realizado em temperatura ambiente, não havendo necessidade de pós-tratamento. Para diminuir a rugosidade e proteger os TCEs CuNW contra a oxidação, fabricamos os TCEs híbridos CuNW / poli (metacrilato de metila) (PMMA) (HTCEs) usando solução de PMMA. Os HTCEs CuNW / PMMA exibiram baixa rugosidade superficial e estabilidade química em comparação com os TCEs CuNW.

Histórico

Eletrodos condutores transparentes (TCEs) são peças extremamente importantes em muitos dispositivos optoeletrônicos, incluindo diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs), células solares, telas de cristal líquido, telas planas, sensores e assim por diante [1-7]. Óxido de índio e estanho (ITO) é um dos TCEs mais comumente usados na indústria, que possui baixa resistividade (\ (\ sim \ thinspace \! \! 10-30 \ Omega / \ square \)) em alta transparência óptica (90% ) [8]. É uma grande pena que o índio seja um elemento metálico raro e sua abundância na crosta terrestre seja muito baixa, o que faz com que o preço do ITO se torne cada vez mais caro [8-10].

Conseqüentemente, os pesquisadores têm feito muitas tentativas para desenvolver alguns novos materiais para substituir parcialmente o ITO. Esses candidatos devem possuir baixo custo, alta condutividade, alta transmitância e excelente flexibilidade e podem ser depositados em baixas temperaturas. Entre esses candidatos, os nanofios metálicos são especialmente promissores. Estudos recentes relataram o uso de nanofios de prata (AgNWs); eletrodos transparentes baseados em AgNWs foram relatados para competir bem com ITO [11-19]. No entanto, a prata é um metal precioso e seu preço caro não deve ser ignorado. Como resultado da crescente demanda por nanofios metálicos de baixo custo, o cobre tem recebido atenção considerável como uma alternativa interessante à prata. O cobre é quase tão condutor quanto a prata, porque a resistividade em massa do cobre é 1,67 n Ω · m , enquanto o da prata é 1,59 n Ω · m [20]. Além disso, o cobre é muito mais abundante e menos caro do que a prata e o ITO. Com base nesses fatos, cada vez mais atenção é dada aos nanofios de cobre (CuNWs).

Assim, vários métodos para preparar CuNWs foram estudados, como deposição química de vapor, deposição eletroquímica, molde e processos de membrana [21-26]. No entanto, esses métodos envolvem vários processos complexos e requerem reagentes químicos tóxicos ou catalisador valioso. Provavelmente, os métodos hidrotérmicos parecem ser uma forma simples de produção de CuNWs. Zhang et al. CuNWs preparados (ou nanobastões de cobre) com diâmetro de cerca de 50 nm e comprimento chegando a> 10 μ m por meio de síntese hidrotérmica com ácido ascórbico como agente redutor e polivinilpirrolidona (PVP) como agente de cobertura em temperatura relativamente baixa [27]. Wang et al. preparou CuNWs ultralongos com um diâmetro uniforme de cerca de 800-1000 nm e um comprimento típico de várias dezenas de micrômetros, aplicando ácido ascórbico como redutor e agente de cobertura [28]. Usando octadecilamina (ODA) como um agente de redução suave e um agente de adsorção, Shi et al. obteve CuNWs ultralongos com comprimento de até vários milímetros e diâmetros de 30–100 nm [29]. Melinda Mohl e colaboradores aplicaram o cloreto de cobre e glicose na presença de hexadecilamina (HDA), prepararam com sucesso alguns CuNWs longos com um diâmetro uniforme de 64 ± 8 nm e comprimento de alguns micrômetros [30]. Aziz et al. elaborou um método hidrotérmico simples para produzir CuNWs com comprimento de vinte micrômetros usando HDA e brometo de potássio como agente de cobertura [31]. Kim et al. relataram uma estratégia sintética mediada por sementes para a produção de CuNW, e algumas imagens típicas de microscopia eletrônica de varredura (SEM) em CuNWs mostraram que o diâmetro médio era 21,9 ± 3,8 nm e o comprimento máximo era 77,1 μ m [32].

Comparado com CuNWs, a fabricação em CuNW TCEs tem sido pouco estudada, uma vez que a instabilidade e a característica de ser facilmente oxidado freqüentemente fazem com que os filmes CuNW sejam não condutores. Wiley e colaboradores obtiveram bons resultados na preparação de CuNWs e CuNW TCEs. Em 2010, foi a primeira vez que prepararam CuNW TCEs em substrato flexível com uma resistência de folha de 30 \ (\ Omega / \ square \) com transmitância especular de 85% por meio de revestimento de haste de Meyer [33]. Em 2014, eles aprimoraram a maneira de produzir CuNWs e, em seguida, fabricaram CuNW TCEs com uma transmitância> 95% e uma resistência de folha <100 \ (\ Omega / \ square \) [34]. O grupo de Simonato tratou CuNWs com ácido acético glacial para fabricar CuNW TCEs flexíveis exibindo uma resistência de folha de 55 \ (\ Omega / \ square \) a 94% de transmitância ( λ =550 nm) por meio de filtração a vácuo [20]. Chu et al. preparou CuNW TCEs com 52,7 \ (\ Omega / \ square \) em T =90% ( λ =400-700 nm) usando um revestimento por spray, que não era condutor antes do recozimento em um forno por 2 h em uma atmosfera de 75% de argônio e 25% de hidrogênio [35]. No entanto, apesar desses esforços, os TCEs baseados em CuNW ainda apresentam uma série de limitações que impedem seu uso generalizado. Um problema é sua alta rugosidade superficial quando depositados em substratos descobertos e outro problema é que CuNWs têm baixo potencial de oxidação e estabilidade química.

Uma maneira de melhorar o desempenho dos filmes de nanofios é usar nanofios com razões de aspecto mais altas [34]. CuNWs curtos e grossos não são adequados para a preparação de TCEs. Por exemplo, CuNWs com diâmetros de cerca de 50 nm e comprimento de cerca de 10 μ m proposto na Ref. [27] são muito curtos para preparar TCEs de alta qualidade. É importante notar que CuNWs muito longos também não são adequados para a preparação de TCEs, porque é muito fácil para eles se reunirem e não podem ser bem dispersos. Por exemplo, o comprimento dos CuNWs propostos em [29] era de vários milímetros, e muitos dos CuNWs se agrupam [29]. Comprimentos e diâmetros moderados de CuNWs são muito importantes para CuNW TCEs de alta qualidade. Neste artigo, uma abordagem hidrotérmica simples para a síntese de CuNWs finos, bem dispersos e ultralongos com diâmetro médio de 35 nm e comprimento médio de 100 μ m é relatado, onde ODA, ácido ascórbico e cloreto cóprico (II) di-hidratado (CuCl ₂ · 2H ₂ O) estão envolvidos. CuCl ₂ · 2H ₂ O fornece fonte de cobre, ácido ascórbico é usado como agente redutor e ODA é selecionado como agente de cobertura. Os comprimentos e diâmetros dos CuNWs são afetados pelo tempo de reação, razão molar dos três fármacos, e iremos revelar os efeitos desses fatores. Os CuNWs ultralongos e finos foram usados para fabricar os TCEs CuNW à temperatura ambiente. A resistência da folha do CuNW TCE foi tão baixa quanto 26,23 \ (\ Omega / \ square \) a 89,06% de transmitância ( λ =550 nm). A fim de reduzir a rugosidade de CuNW TCEs e evitar que CuNWs sejam oxidados, poli (metacrilato de metila) (PMMA) foi revestido na superfície de CuNW TCEs para preparar TCEs híbridos CuNW / PMMA (HTCEs) e os efeitos do PMMA na transmitância e rugosidade de CuNW TCEs são demonstrados.

Experimental

Síntese de CuNWs

Em um processo típico para sintetizar CuNWs, 140 mg de ácido ascórbico (C ₆ H ₈ O ₆ , Aladdin) e 270 mg de CuCl ₂ · 2H ₂ O (Aladdin) foram adicionados a 282 ml de ODA (26,3 mmol L ⁻¹ ) solução aquosa. Concentrações molares de ácido ascórbico e CuCl ₂ · 2H ₂ O são 2,8 mmol L ⁻¹ e 5,6 mmol L ⁻¹ , respectivamente. A solução misturada tornou-se uma suspensão homogênea após 60 min de agitação de selagem à temperatura normal. Posteriormente, a suspensão obtida foi transferida para uma autoclave revestida com Teflon e selada por 20 h a 120 ° C. O reator foi então resfriado à temperatura ambiente naturalmente. Os produtos químicos em excesso foram removidos por lavagem com água desionizada e etanol. O produto final foi mantido em 130 ml de ácido acético glacial (Aladdin) para evitar a oxidação de CuNWs.

Fabricação de CuNW TCEs e CuNW / PMMA HTCEs

Os TCEs CuNW foram fabricados em substratos de tereftalato de polietileno (PET) (188 μ espessura m). Uma pequena quantidade de solução de ácido acético glacial contendo CuNWs foi diluída em 500 ml de água desionizada. Os TCEs foram formados à temperatura ambiente por filtração de uma dispersão de CuNWs em uma membrana de filtro de éster de celulose mista (MCE) (0,45 μ m). O filme depositado foi então transferido para o substrato PET aplicando pressão uniforme. A membrana do filtro MCE foi removida para manter a rede CuNW no substrato PET. 100 ul de solução de PMMA (20 mg / ml) foram revestidos na superfície de CuNW TCEs usando um revestidor de rotação a 800 rpm por 5 se 2500 rpm por 30 s. Os HTCEs CuNW / PMMA foram secos naturalmente sem sinterização térmica.

Caracterização estrutural, óptica e elétrica

A morfologia e as dimensões dos CuNWs sintetizados foram investigadas por MEV (JSM-7500F, JEOL) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) (FEI-TECNAL G20). As imagens da morfologia da superfície dos CuNWs foram analisadas por um microscópio óptico (BX51M, OLYMPUS). As transmitâncias de CuNW TCE e CuNW / PMMA HTCE foram determinadas por um espectrofotômetro de UV (GZ502A, Shanghai Shine Photoelectric Technology Co., Ltd.). A rugosidade de CuNW TCEs e CuNW / PMMA HTCEs foi determinada por um microscópio de força atômica (AFM) (Dimension Edge, BRUKER). Os padrões de difração de raios-X em pó (XRD) de CuNWs foram realizados por análise de XRD (Bruker, BRUKER OPTICS).

Duas folhas de filme de alumínio (Al) foram depositadas em ambas as extremidades de um CuNW / PMMA HTCE ou um CuNW TCE, como mostrado na Fig. 1. A distância entre os dois lados internos dos filmes de alumínio é marcada como comprimento L , e a distância entre os outros dois lados do TCE é marcada como largura W . Relação de resistência R de um filme e sua resistência de folha R _s é restringido pela fórmula da seguinte maneira [36]:
$$ \ begin {array} {@ {} rcl @ {}} R_ {s} =R \ frac {W} {L} \ end {array} $$ (1)

Imagem fotográfica e ilustração esquemática testando o processo de resistência. À esquerda está a imagem fotográfica do processo de resistência de teste e à direita mostra a ilustração esquemática do comprimento e largura de um TCE

A resistência de CuNW TCE e CuNW / PMMA HTCE foi medida por um multímetro e as resistências correspondentes da folha foram concluídas a partir das resistências com a ajuda da Fórmula (1). Por exemplo, a resistência de um CuNW / PMMA HTCE é 65,9 Ω , conforme mostrado na Fig. 1, L é 19,2 mm e W é 27,6 mm, respectivamente. Então, pode-se concluir que a resistência da folha do CuNW / PMMA HTCE na Fig. 1 é 94,7 \ (\ Omega / \ square \).

Resultados e discussão

Síntese de CuNWs

Neste trabalho, CuNWs bem dispersos com diâmetro médio de 35 nm e comprimento médio de 100 μ m, e razão de aspecto de cerca de 2.857 foram sintetizados pela redução de CuCl ₂ · 2H ₂ O com ácido ascórbico por meio de um processo de redução hidrotérmica. ODA atuou como agente de cobertura no processo de crescimento de CuNWs. Os três materiais são todos muito baratos, de modo que o custo de preparação dos CuNWs é muito baixo. Diferentes tempos de reação e diferentes razões molares levarão a diferentes produtos, e discutiremos esses fatores nas subseções a seguir.

(A) Caracterização de CuNWs

Os CuNWs foram preparados pelo método na subseção “Síntese de CuNWs” da seção “Experimental”. A fotografia de CuNWs obtida é mostrada na Fig. 2a. A morfologia e dimensão dos CuNWs correspondentes são mostradas por SEM na Fig. 2b, c. É mostrado na Fig. 2b, c que o produto final é composto por uma grande quantidade de CuNWs com diâmetro médio de 35 nm e comprimento médio de 100 μ m, apresentando assim uma razão de aspecto de cerca de 2857. NWs longos com uma razão de aspecto alta são necessários para atingir alta condutividade elétrica e transmitância nas estruturas de teia baseadas em NWs, porque eles permitem caminhos altamente condutivos totalmente inter-redes, mesmo com baixa densidade de nanofios [37, 38]. Consequentemente, o método mencionado acima é aplicável para a produção de CuNWs uniformes. Esses CuNWs finos e uniformes possibilitam a preparação de CuNW TCEs de alto desempenho. A Figura 2d representa o padrão de XRD de CuNWs fundidos em um substrato de silício. CuNWs são identificados com base nos três picos de difração distinguíveis em 43.316, 50.448 e 74.124, correspondendo a {1 1 1}, {2 0 0} e {2 2 0} planos de cristal de cobre cúbico de face centrada, respectivamente . A intensidade dos planos de cristal {1 1 1} de cobre cúbico de face centrada maior do que aqueles dos outros indica o enriquecimento de planos de cristal {1 1 1} dos CuNWs. O resultado também indica que os átomos de cobre depositados primeiramente em {1 1 1} facetas, levaram a CuNWs unidimensionais (1-D). Nenhum sinal de impurezas como CuO e Cu ₂ O foi observado no padrão de XRD, o que indica que CuNWs puros foram obtidos.

Estrutura de CuNWs. a Os CuNWs são preparados em acetato. b Imagem SEM de CuNWs de uma visão geral. c Imagem SEM de CuNWs a partir de uma visão detalhada. d Padrão de XRD em pó do CuNWs fundido em um substrato de silício

A Figura 3a, b mostra imagens TEM de CuNWs ultralongos com diâmetros de cerca de 35 nm. Podemos observar que as superfícies dos nanofios de cobre são muito lisas. A Figura 3c propõe a imagem TEM de alta resolução (HRTEM) de um CuNW. O espaçamento da rede foi observado em 0,21 nm, o que corresponde ao plano {1 1 1} do cobre cúbico do centro da face.

Imagens TEM e imagem HRTEM de CuNWs. a , b Imagens TEM de CuNWs. c Imagem HRTEM de um CuNW. O espaçamento da rede foi observado em 0,21 nm

(B) Análise dependente do tempo

Para observar o processo de crescimento dos CuNWs, os produtos foram investigados por SEM. Os produtos obtidos após tratamento hidrotérmico de 1 a 40 h a 120 ° C exibiram morfologias e comprimentos diferentes. Morfologia de CuNWs com diferentes tempos de reação são estudados por SEM. Imagens de SEM de amostras em diferentes estágios de tratamento hidrotérmico são mostradas na Fig. 4.

Imagens de SEM de amostras em diferentes tempos de reação do tratamento hidrotérmico. Os diferentes tempos de reação do tratamento hidrotérmico são a 1 h, b 2 h, c 6 h, d 14 h, e 20 h e f 40 h

Na Fig. 4a, pode-se ver que o produto é composto principalmente de nanocubos de cobre e quase nenhum CuNWs é produzido quando o tempo de reação é de 1 h, o que indica um sistema dominado por crescimento isotrópico. O motivo é que o agente de cobertura foi insuficiente para cobrir todas as facetas {1 0 0} recém-formadas em nanocristais de cobre neste estágio. Uma vez que o mecanismo de crescimento de CuNWs ainda não é totalmente compreendido, especulamos que apenas uma pequena fração da ODA é vaporizada e dissolvida sob alta pressão no estágio inicial. Portanto, não há agente de cobertura suficiente para garantir o crescimento anisotrópico do cristal.

Conforme o tempo passa, mais e mais ODA são gaseificados para produzir agentes de cobertura suficientes, e então o crescimento 1D dessas sementes de nanocristais em aquoso leva à formação de CuNWs. Conforme mostrado na Fig. 4b-d, mais e mais matérias-primas se transformam em produtos e mais e mais sementes de nanocristais se convertem em CuNWs quando o tempo vai de 2 a 14 h. Enquanto isso, podemos ver que os comprimentos dos CuNWs estão se tornando cada vez mais longos na faixa de 2 a 14 h, e o comprimento médio dos CuNWs é cerca de 25, 60 e 80 μ m na Fig. 4b – d, respectivamente. Os CuNWs são muito finos e seu diâmetro médio é de apenas cerca de 35 nm. Quando os CuNWs são maiores que 100 μ m, eles podem ser facilmente quebrados, então seus comprimentos não aumentam mais. A Figura 4e, f indica que os comprimentos e diâmetros dos CuNWs não mudam significativamente dentro de 20 a 40 h.

(C) Quantidade de ácido ascórbico

O ácido ascórbico foi selecionado como agente redutor na síntese de CuNWs. Para investigar a influência da quantidade de ácido ascórbico na morfologia dos CuNWs, as quantidades de água desionizada, ODA e CuCl ₂ · 2H ₂ O foram fixados e a quantidade de ácido ascórbico foi alterada. Após 20 h de aquecimento em uma autoclave forrada com Teflon selada a 120 ° C, a solução obtida foi lavada com água desionizada e etanol. Os produtos finais foram observados com o auxílio de um microscópio óptico.

A fórmula estrutural química do ácido ascórbico pode ser escrita como mostrado na Fig. 5. Existem quatro hidroxilas (-OH) em uma molécula de ácido ascórbico, que atuam como o grupo funcional nesta reação de redução, e há um Cu ^{2 +} em um CuCl ₂ · 2H ₂ Molécula O, então pode-se supor que a razão molar ideal de ácido ascórbico e CuCl ₂ · 2H ₂ O é 0,5:1. A Figura 6 demonstra as imagens do microscópio óptico dos produtos finais com diferentes razões molares de ácido ascórbico e CuCl ₂ · 2H ₂ O. Quando a razão molar é 0,5:1, a maior quantidade de CuNWs é produzida (Fig. 6b) e a quantidade de nanopartículas de cobre (CuNPs) é relativamente muito menor. Ao aumentar a razão molar para 1:1 ou 2:1, mais e mais CuNPs aparecem nas imagens do microscópio óptico (Fig. 6c, d). Na proporção molar de 2:1, o produto contém um grande número de CuNPs e dificilmente se formam quaisquer CuNWs. Isso provavelmente se deve ao fato de que CuNWs crescem a partir de sementes multi-geminadas. No entanto, as sementes multi-geminadas são instáveis nos estágios iniciais se suas {1 0 0} facetas não forem bem limitadas. o crescimento do cristal nas facetas {1 0 0} pode desenvolver rapidamente sementes multiarremeadas em sementes de cristal único, que produzem apenas CuNPs. Quando a razão molar do agente redutor é muito maior do que o valor apropriado, um grande número de sementes multi-geminadas aparecerá no estágio inicial. Ao mesmo tempo, o ODA não é fortemente vaporizado e se difunde no aquoso, resultando na falta de agente de cobertura. No caso da proporção ser de 0,2:1 na Fig. 6a, a solução é muito viscosa e contém uma grande quantidade de ODA, o que torna muito difícil separar os CuNWs da solução. Pequenas quantidades de CuNPs e CuNWs são produzidas na Fig. 6a, e podemos assumir que, neste caso, apenas parte do cobre é reduzida, uma vez que a quantidade de agente redutor é menor que o normal.

Fórmula estrutural química do ácido ascórbico. Existem quatro hidroxilas (-OH) em uma molécula de ácido ascórbico, que atuam como o grupo funcional nesta reação de redução

Imagens de microscópio óptico de CuNWs sintetizados com diferentes razões molares de ácido ascórbico e CuCl ₂ · 2H ₂ O. As diferentes razões molares de ácido ascórbico e CuCl ₂ · 2H ₂ O são um 0,2:1, b 0,5:1, c 1:1 e d 2:1

Fabricação de CuNW TCE

O método de transferência por filtração a vácuo é um método simples e escalonável para fazer TCEs. Por meio da transferência de filtração a vácuo, as soluções contendo NWs podem ser adequadamente diluídas e dispersas como fios individuais, de forma que os TCEs preparados possuam boa condutividade. Enquanto isso, algum reagente pode ser filtrado, o que é útil para melhorar a condutividade elétrica dos TCEs. Neste trabalho, a solução de ácido acético glacial contendo CuNWs é diluída em água deionizada e, a seguir, filtrada em membrana filtrante de MCE. Durante o processo, os materiais orgânicos residuais e os óxidos de cobre podem ser removidos, o que ajuda a melhorar a condutividade elétrica dos TCEs CuNW.

A transmitância de um TCE depende da quantidade de CuNWs depositados nos substratos e diminuirá drasticamente quando a resistência da folha do TCE diminuir. Alta condutividade e alta transmitância dos TCEs CuNW são atribuídas principalmente à morfologia dos CuNWs, como comprimento longo, diâmetro pequeno, ausência de NPs e quaisquer outras matérias orgânicas residuais [39-41]. Neste trabalho, selecionamos o tempo de reação como 20 he razão molar de ácido ascórbico e CuCl ₂ · 2H ₂ O como 0,5:1. A Tabela 1 lista as resistências e transmitâncias da folha (excluindo substrato PET) a 550 nm para cinco TCEs CuNW. O fato de que as transmitâncias mais altas estão relacionadas às resistências da folha mais baixas está de acordo com as observações existentes. Transmitências em uma faixa mais ampla ( λ =366–741 nm) para as cinco amostras são propostas na Fig. 7. A imagem fotográfica da amostra C também é demonstrada na Fig. 7, cujas transmitâncias é 89,06% a 550 nm (excluindo o substrato PET).

Espectros de transmitância (366-741 nm) dos CuNW TCEs com várias resistências de folha. Resistências de folha e transmitância das cinco amostras em 550 nm estão listadas na Tabela 1. Imagem fotográfica de um CuNW TCE é demonstrada, cuja transmitância em 550 nm é 89,06% na condição de que o efeito de PET seja excluído

Fabricação de CuNW / PMMA HTCE

Embora CuNW TCEs tenham muitas vantagens, algumas deficiências fatais não podem ser ignoradas, incluindo alta rugosidade e baixa estabilidade química, que limitam suas aplicações. A fim de superar esses problemas, fabricamos CuNW / PMMA HTCEs por centrifugação de solução de PMMA 20 mg / ml para reduzir a rugosidade e evitar a oxidação de CuNWs. As propriedades dos CuNW TCEs e CuNW / PMMA HTCEs foram comparadas. A Figura 8a, b mostra os gráficos de transmitância e as mudanças na condutividade de um CuNW TCE e um CuNW / PMMA HTCE em um substrato PET, respectivamente. A Figura 8a mostra que o CuNW TCE e o CuNW / PMMA HTCE possuem espectros de transmitância semelhantes. Na Fig. 8b, podemos ver que as resistências da folha do CuNW TCE e do CuNW / PMMA HTCE também eram semelhantes entre si quando acabavam de ser preparadas. A resistência da folha do CuNW TCE aumentou rapidamente de 32,1 \ (\ Omega / \ square \) para 93,5 \ (\ Omega / \ square \) após 3 h. No entanto, a resistência da folha de CuNW / PMMA HTCE mostrou um aumento lento, que permaneceu quase inalterado quando 50 h passaram e permaneceu ainda muito baixa (74 \ (\ Omega / \ square \)) após 72 h. A estabilidade foi significativamente melhorada após o CuNW TCE ter sido revestido com PMMA para formar um CuNW / PMMA HTCE. Assim, o revestimento de PMMA protegeu efetivamente os CuNWs da umidade e do oxigênio.

Comparação das propriedades optoeletrônicas de um CuNW TCE e um CuNW / PMMA HTCE. a CuNW TCE e CuNW / PMMA HTCE possuem espectros de transmitância semelhantes. b A mudança na resistência da folha de CuNW e CuNW / PMMA HTCEs armazenados em condições ambientais por 72 h

Conforme mencionado acima, grande rugosidade não é compatível com várias aplicações e pode causar curtos-circuitos em dispositivos eletrônicos. Portanto, superfícies lisas são cruciais para a aplicação prática dos dispositivos optoeletrônicos. Incorporamos CuNWs no filme PMMA para reduzir a aspereza. A Figura 9 demonstra imagens topográficas AFM de um CuNW TCE e um CuNW / PMMA HTCE. Na Fig. 9a, a topografia da superfície do CuNW TCE é relativamente rugosa, cuja rugosidade da superfície da raiz quadrada média (RMS) é de 31,2 nm. Na Fig. 9b, a topografia da superfície do CuNW / PMMA HTCE parece muito lisa, cuja rugosidade superficial RMS é de 4,8 nm. É óbvio que o filme de PMMA revestido por rotação pode reduzir muito a aspereza da superfície do filme CuNW porque a solução de PMMA pode preencher buracos entre as grades aleatórias de CuNWs.

Imagens topográficas AFM de a CuNW TCE e b CuNW / PMMA HTCE. As imagens da esquerda são imagens AFM originais e as imagens da direita mostram a rugosidade da superfície RMS

Conclusões

Um método hidrotérmico para sintetizar CuNWs ultralongos e finos é proposto neste artigo. O diâmetro médio dos CuNWs é de cerca de 35 nm, e o comprimento médio é de cerca de 100 μ m, e a proporção de aspecto correspondente é de cerca de 2857. As matérias-primas relativas incluem CuCl ₂ · 2H ₂ O, ODA e ácido ascórbico, que são todos muito baratos e não tóxicos. No processo hidrotérmico, CuCl ₂ · 2H ₂ O fornece fonte de cobre, ácido ascórbico atua como agente redutor e ODA foi usado como agente de cobertura.

Os TCEs CuNW foram fabricados por CuNWs preparados pelo método hidrotérmico. O melhor resultado que alcançamos para os TCEs CuNW foi R _s =26,23 \ (\ Omega / \ square \) para T =89,06% a 550 nm (excluindo substrato PET). O processo de fabricação do TCE foi realizado em temperatura ambiente, não havendo necessidade de pós-tratamento, como recozimento térmico e aquecimento opto-térmico. Para reduzir a aspereza e prevenir a oxidação de CuNW TCEs, fabricamos CuNW / PMMA HTCEs. Os experimentos mostraram que CuNW / PMMA HTCE possui menor rugosidade e maior atividade antioxidante em relação ao CuNW TCE.

Abreviações

AFM:: Microscópio de força atômica
AgNWs:: Nanofios de prata
CuNPs:: Nanopartículas de cobre
CuNWs:: Nanofios de cobre
HDA:: Hexadecilamina
HRTEM:: Microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução
HTCE:: Eletrodo condutor transparente híbrido
HTCEs:: Eletrodos condutores transparentes híbridos
ITO:: Óxido de estanho índio
MCE:: Éster de celulose mista
ODA:: Octadecilamina
OLEDs:: Diodos emissores de luz orgânicos
PET:: Tereftalato de polietileno
PMMA:: Poli (metacrilato de metila)
PVP:: Polivinilpirrolidona
RMS:: Raiz quadrada média
TCE:: Eletrodo condutor transparente
TCEs:: Eletrodos condutores transparentes
TEM:: Microscopia eletrônica de transmissão
XRD:: Difração de raios X

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Nanomateriais

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biológico

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