大面积制备具有协同增强透射率和电导率的柔性碳纳米膜

大面积柔性透明导电膜是未来电子、光电子、能源器件等领域急需的材料。在现代技术中广泛使用的铟锡氧化物（ITO）TCF在满足科学技术发展（尤其是新一代柔性电子器件）的需求方面面临困难，因为铟是不可再生资源且价格昂贵，而且ITO本身就很脆

目前，已经开发出碳纳米膜、金属纳米线、导电聚合物和其他透明导电材料来取代ITO。其中，碳纳米膜由于其优异的电学和光学性能、柔性和优异的稳定性，以及在未来的航空航天和军事应用中特别需要的轻质、抗辐射和抗超疲劳性，被认为是最有前途的候选者之一

然而，为了实现柔性TCF的广泛应用，不仅需要克服透射率和电导率之间的相互限制，还需要能够大面积甚至大规模地制造它们。这是困扰碳纳米材料领域乃至TCFs领域研究人员多年的难题

中国科学院物理研究所的研究人员30多年来一直从事低维碳纳米材料和纳米结构的制备、性能和潜在应用的基础研究，并取得了一系列创新和重要成果

这项题为“通过重组单壁碳纳米管网络制备具有协同增强透射率和电导率的大面积柔性碳纳米膜”的研究发表在《先进材料》杂志上

针对上述挑战性问题，博士研究生岳颖在周维亚教授的指导下，基于他们开发的通过吹气溶胶法连续直接制备的独立式透明导电碳纳米管膜（CNT-TCF），提出了先进的碳纳米管网络重组（CNNR）策略，设计开发了创新的面驱动CNNR（FD-CNNR）技术，突破了碳纳米膜关键性能相互制约的瓶颈，实现了CNT膜的大面积制备和无损转移

它为解决大面积柔性TCFs的问题提供了一个有效的方案

基于FD-CNNR技术的独特机制，研究人员首次引入了单壁碳纳米管（SWNT）和Cu-O重构之间的相互作用，这使SWNT网络能够重组为更有效的导电路径

使用该技术，设计并制备了A3尺寸甚至米长的大面积、柔性和独立的重组碳纳米管TCFs（RNC-TCFs），包括重组SWNT（RSWNT）膜和石墨烯与重组SWNT的杂化膜（G-RSWNT，后者的面积是现有报道的独立杂化膜的1200多倍）

此外，FD-CNNR技术使这些轻质薄膜能够表现出优异的柔韧性，协同增强了高机械强度、优异的透射率和电导率以及显著的FOM值。所制备的大面积RNC TCF可以独立在水面上，并可以转移到其他目标基质上，而不会受到污染和损坏

（a，b）SWNT重组过程的参数优化。（c） 本工作与其他报道的碳纳米膜的薄层电阻和透射率的比较。（d） 本工作的多种性能与其他报道的碳纳米膜的比较。（e） 将A3尺寸和1m×10cm的G-RSWNT TCF的照片转移到PET基底上。来源：物理研究所（a）基于G-RSWNT薄膜和液晶层的柔性智能窗的原理图结构。（b） 智能窗口在不同电压密度下的温度变化。（c） 智能车窗在不同稳态温度下所需的功率密度。（d） 智能车窗在开/关状态下的透射率。（e，f）在室温25°C、展开和弯曲状态下，通过电压调节实现智能窗的透明度变化。（g） 在20°C下进行除雾测试，智能车窗工作温度为28°C。来源：物理研究所

基于大面积G-RSWNT TCF和液晶层，制造了一种具有快速加热、可控调光和除雾等多种功能的新型A4尺寸柔性智能窗。FD-CNNR技术不仅可以推广到大面积甚至大规模制备TCFs，而且为TCFs等功能膜的设计提供了新的思路

这项工作弥补了大面积石墨烯-碳纳米管杂化膜领域研究的不足，有望推动大面积、柔性、独立、轻质、透明导电碳纳米膜的大规模制备及其在柔性电子、光伏器件、光学工程、人工智能、先进建筑、交通运输甚至航空航天等领域的未来应用