米乐m6官方网站[会长：中钵良二]（以下简称“AIST”）电子与光子技术研究部[研究部部长Masahiko Mori]分子集成器件研究组首席研究员Ying Zhou和该部门副研究主任Reiko Asumi等人开发了一种仅通过使用分散液即可制造高导电性和高耐用性碳纳米管（CNT）透明导电膜的方法。
9042_9155兴奋剂需要单独进行，且成膜后必须去除绝缘分散剂，导致工艺复杂、步骤多且可成膜的基板数量有限。湿法生产的CNT透明导电薄膜的特性，并将其应用于超越传统成膜工艺限制的广泛应用，挑战在于开发一种简单而高效的高质量薄膜的制造方法。这次我们使用了少量的CNT分散剂掺杂剂的两个功能聚合酸，我们开发了一种通过简单地将碳纳米管分散体涂覆到基板上来制造高导电碳纳米管薄膜的技术。该技术不仅大大缩短了高质量碳纳米管透明导电薄膜的制造流程，而且可以在曲面、管内表面等多种基材上成膜。此外，溶剂可选用水、乙醇等环保溶剂，可以均匀地形成从几纳米的极薄薄膜到几十微米的厚膜的大面积薄膜，因此有望在广泛的领域得到应用。
该结果发表在英国皇家化学学会期刊上纳米级2019 年 1 月 9 日（英国夏令时）。
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| 可以通过简单的工艺生产高性能CNT透明导电薄膜 |
近年来物联网随着社会的进步，从电器到建筑、汽车和工厂，各种输入/输出设备都需要各种输入/输出设备，而这些设备所必需的透明导电薄膜的市场预计未来将会增长。为了满足如此广泛的应用的需求，需要可以使用更简单的方法制造并且可以沉积在各种基材上的透明导电膜。
氧化铟锡 (
ITO) 膜，但由于难以处理未来物联网设备组件所需的膨胀、收缩和弯曲，因此人们正在努力开发新材料来替代 ITO。
AIST一直致力于CNT透明导电膜的研究和开发，以实现工业应用。迄今为止，我们使用将碳纳米管分散在含有纤维素基聚合物的溶剂中的墨水，在塑料基材上形成均匀性优异的涂膜，并通过脉冲光烘烤等后处理，制造出高导电性的透明导电膜，通过将其与纳米颗粒结合，显着提高了导电性的长期稳定性，而这一直是碳纳米管透明导电膜实际应用的障碍。2015 年 2 月 9 日、2013 年 1 月 25 日 AIST 新闻稿）。然而，在大多数情况下，这些传统方法使用大量绝缘分散剂，因此为了实现高导电率，必须在成膜后去除分散剂并掺杂CNT。因此，我们致力于开发一种比传统方法更高效、成本更低的制造技术，并且还可以用于在各种基材上形成薄膜。
此项研究和开发的一部分得到了日本学术振兴会探索性研究科学研究补助金的支持。
迄今为止，为了制作CNT透明导电膜，需要添加大量分散剂以将CNT精细分散，并且在成膜后，需要后处理步骤来去除绝缘分散剂并掺杂CNT以提高导电性。为了充分利用CNT透明导电薄膜可通过涂覆形成的优势，并将其应用于各种应用，面临的挑战是进一步简化制造工艺。
这次，如图1(a)所示，我们构建了一种聚合酸螺旋缠绕在碳纳米管周围的复合结构，并开发了一种分散液，可以用少量聚合酸均匀分散碳纳米管，同时对碳纳米管进行掺杂。由于仅使用少量的聚合酸，因此在形成CNT膜后无需除去聚合酸即可获得高导电性。此次开发的掺杂方法是电荷转移型掺杂，其中高分子酸的羧基从CNT中夺取电子。聚合物酸是常见材料，但由于它们是弱酸性，因此与强酸等典型掺杂剂不同，它们尚未被识别或用作掺杂剂。然而，这一次，我们找到了一种最佳的复合结构，可以最大限度地发挥聚合酸的掺杂效果。改进的直接注射热解合成 (eDIPS) 方法采用CNT与聚合酸最佳复合结构制成的CNT透明导电薄膜在550nm波长下的透过率为85%（基材透过率为100%时的相对值），方块电阻为60Ω/□，它表现出与掺杂强酸或光照射的CNT透明导电膜相当的透明度和导电性。
采用新开发的方法，唯一的后处理步骤是干燥涂膜，因此即使在易受强酸和热处理影响的塑料基板上也可以形成高质量的CNT透明导电膜。除水外，还可以使用乙醇、异丙醇、丙二醇等醇类有机溶剂作为溶剂，对环境友好。旋涂法、刮刀法如图 1(b) 所示，我们能够在各种塑料基材上沉积均匀的 CNT 薄膜。此外，通过调节分散液中CNT的浓度，可以在大面积上均匀地形成薄膜，范围从几纳米的极薄薄膜（透明导电薄膜）到几十微米的厚薄膜（黑色、不透明导电薄膜）。当利用该技术形成约5μm厚的CNT薄膜时，电导率最高达到20,000S/cm，达到与金属纳米粒子相当的高电导率。
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图1(a)新开发的CNT-聚合物酸复合结构（左示意图，右电子显微镜照片）
(b) 在各种塑料基板上均匀沉积CNT薄膜（约40 nm厚）（顶部仅是基板）
（PEN：聚萘二甲酸乙二醇酯，PET：聚对苯二甲酸乙二醇酯，PVC：聚氯乙烯，PP：聚丙烯，PDMS：聚二甲基硅氧烷） |
新开发的CNT透明导电薄膜即使在温度85℃、相对湿度85%的高温高湿环境下也能够长时间保持其方块电阻（图2）。这被认为是因为碳纳米管和聚合酸的复合膜的结构极其稳定，即使在恶劣的环境下也能长时间保持其原始结构。高温高湿环境下的耐久性得益于导电聚合物以及使用强酸掺杂和纳米粒子复合等传统技术获得的高导电性碳纳米管薄膜PEDOT／PSS更好和伊藤。此外，新开发的CNT透明导电薄膜即使在超过100万次弯曲和拉伸测试后仍保持高导电性。这被认为是因为不仅碳纳米管而且聚合酸都具有柔性的分子结构，因此由这些复合材料制成的导电膜也具有极耐弯曲、拉伸和变形的结构。
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| 图2高温高湿环境下的耐久性测试和室温下的机械强度测试 |
13874_13998金属纳米线)制成的导电膜更长，该导电膜仍能保持更高的电导率（图3）。
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图3 伸长率与电阻变化率的关系
（AgNW：银纳米线，CuNW：铜纳米线） |
未来，我们将继续开发CNT导电薄膜和CNT分散体的特定应用。我们还将建立量产技术和质量保证技术，将该技术投入实际应用，并促进与企业的广泛合作。