《AFM》：超薄金属薄膜！一种柔性透明电极的反常光电性能

随着工业对柔性光电器件需求的不断增长，石墨烯、还原石墨烯氧化物(r-GO)、银纳米线和二维金属氧化物等高柔性透明电极材料的研究日益深入。然而，除了银纳米线外，具有与铟锡氧化物(ITO)相当的光电性能的透明电极材料还没有被开发出来。

来自韩国丹国大学的学者开发了一种具有氧化钌(RuO₂)亚表层的超薄钌薄膜作为一种柔性透明电极。金属Ru薄膜是以RuO₂纳米薄片为原料，采用逐层镀膜技术，然后进行热还原制备而成的。该薄膜(≈6 nm)显示出与传统电极相当的方阻和透过率。金属薄膜在可见光范围内的高透过率(≈79%)归因于氧化亚表层的存在，氧化亚表层起到减反射的作用。采用湿化学法制备的含氧化亚表层的Ru薄膜的方阻为3.4×10⁻⁴Ω⁻¹，其二维纳米片包括石墨烯、r-GO和其他金属氧化物。此外，Ru薄膜的高机械柔性使其成为超越石墨烯、r-GO和2D金属氧化物的下一代柔性透明导电电极。相关文章以“Anomalous Optoelectric Properties of an Ultrathin Ruthenium Film with a Surface Oxide Layer for Flexible Transparent Conducting Electrodes”标题发表在Advanced Functional Materials。

 

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202109330

 图1.a)K_xRuO₂(母材，原始)和b)H_xRuO₂(水合金属氧化物)的形貌(光学和扫描电镜图像)。c)剥离的纳米薄片的悬浮液和Zeta电位(廷德尔光散射显示它们在水中分散良好)。d)剥离的纳米薄片(RuO₂，非还原形式)的TEM和AFM图像。e)还原纳米片(Ru，金属形式)的TEM和AFM图像。

图2.在还原环境(5%-H₂/95%-N₂，混合气体)下不同温度下退火的氧化钌纳米片a)Ru 3d和b)O 1S边的高分辨率X射线光电子能谱(XPS)。Ru 3d光谱显示单调地向低结合能方向移动，表明氧化钌被还原。对在c)25°C，d)100°C，e)150°C和f)200°C热处理的样品进行了O 1S光谱曲线进行了绘制。

 

图3.a） 纳米片的TEM-EDX图像在200°C时减少，在25°C时未减少。b）纳米片薄膜的GI-XRD图案在不同温

度（25°C−300°C）下减少。点表示剩余氧化钌纳米片（00l）的移位情况。

 

图4.a） 不同厚度的钌薄膜在200°C下减少的照片。b）断裂钌薄膜（TF2003L）的TEM图像。c）高分辨率（HR）-TEM晶格间距图像。

 

图5.a） 紫外-可见吸收光谱和b）不同厚度的钌薄膜的透射率（T）在200°C时降低。（c）测量和计算的TF200透射率在固定λ=550nm时作为厚度的函数图像.

 

图6。薄膜的薄层电阻（R_s）和电阻率（ρ）在不同温度下出现下降（25−200°C）。数字表示温度。

 

图7。在25°C和200°C温度下热处理的不同厚度薄膜的片电阻（R_s）和透射率（T）。

 

图8。a） 钌薄膜的光电特性。红色和粉色星星分别表示在200°C（TF200-3L和TF200-5L）下厚度不同的钌薄膜。图中还显示了氧化钌薄膜（TF25-3L）的结构（小蓝星）。b） 不同TCE材料（掺锑SnO₂[ATO]，掺氟SnO₂[FTO]）中FOMH（T10/Rs）与厚度的关系。

图9.a） ΔR/R₀是钌薄膜从20 mm（r20）到2 mm（r2）的各种弯曲半径的函数，其中R₀是初始R_s，ΔR是弯曲前后R_s的差值。b） 与弯曲试验次数对应的结果（即使用3mm弯曲半径进行的弯曲循环次数）。

 

本文制备了超薄钌金属薄膜，并对其光电性能进行了研究。通过LbL方法对RuO₂纳米片薄膜进行热还原，制备了Ru 薄膜。在还原环境下150°C以上的热处理过程中，氧化物形式转化为金属形式，相应地，薄膜变得极易导电，从而导致低片电阻。金属Ru-薄膜的纳米厚度和孔洞的存在也有助于提高其光学透过率。超薄薄膜还表现出较高的机械柔性。柔性TCE的这一优异性能有力地证明，利用2D氧化物纳米片的热还原制备的具有超薄厚度/表面氧化层和独特微观结构的Ru-薄膜是柔性光电器件的可行的下一代透明电极。（文：SSC）

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