仿生叶脉状柔性透明导电电极制作的实验教学研究-华南师范大学学报.pdfVIP

华南师范大学学报 （自然科学版） ２０１５年６月 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＣＨＩＮＡＮＯＲＭＡＬＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ 　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　教学研究与管理 Ｊｕｎ．２０１５ （ＮＡＴＵＲＡＬＳＣＩＥＮＣＥＥＤＩＴＩＯＮ） 文章编号：１０００－５４６３（２０１５）Ｓ１－０１２１－０３ 仿生叶脉状柔性透明导电电极制作的实验教学研究  高进伟 ，韩　兵 （华南师范大学华南先进光电子研究院，广州５１０６３１） 摘要：由于氧化物透明电极中的一些关键金属元素例如铟储量有限，同时金属氧化物薄膜需要真空镀膜设备和技 术，以及金属氧化物的本征脆性等特征，制备ＩＴＯ替代柔性透明导电电极成为必要．介绍一种仿生法，且便宜简单叶 脉状柔性透明导电电极制备的实验教学方法，对实验讲授过程进行了详细介绍、分析．探索如何通过实验教学培养 学生的动手能力，激发学生对自然仿生以及科学研究的兴趣，探寻如何培养学生发现问题、解决问题能力的方法，以 提高教学效果． 关键词：透明导电电极；仿生法；实验教学 　　透明导电电极是各种光电器件，包括触摸屏、显 示器、薄膜太阳能电池等重要组成部分．目前透明 １　实验原理与实验方法 导电电极一般采用金属氧化物，例如ＩＴＯ薄膜，由于 金属氧化物电极固有的缺陷，其替代电极技术成为 １．１　实验原理 研究的热点［１－４］．仿生模板法为材料设计制备提供 透明导电电极，通常来说是指对波长范围在 了一种绿色、环境友好、廉价的制备策略［５－１０］（图 ３８０～８００ｎｍ之间的可见光的透射率大于８０％，且 １）．自然树叶作为植物光合作用的重要载体，其本 电极电阻率低于１０－３Ω·ｃｍ的薄膜电极［１－３］．从 身在自然界中分布非常广泛，树叶一般是由叶脉、叶 材料物理的角度来说，光学透明意味着材料带隙宽 肉和表皮３部分组成，而它们又各具有精细的内部 度大于３１ｅＶ，自由电子尽可能少；但另一方面，导 结构．叶脉贯穿其中，叶脉可分为主脉、侧脉、细脉、 电意味着材料具有大量的自由电子．同时满足这两 稍脉等，细脉交错分布，将叶片分为无数小块，每一 种条件的材料才能用于制备透明导电薄膜，所以在 小块都有细脉脉梢伸入，形成叶片内的运输通道，这 理论上透明和导电是一对矛盾．图２为常用金属氧 些叶脉在叶面上形成的形状又大致可３种脉序：网 化物透明导电电极及其透光率图．在过去５０年，金 状脉、分叉状脉和平行脉．每种脉序又可以分为许 属氧化物电极，例如ＩＴＯ一直是透明导电电极的研 多不同的种类，其在微观上具有网状多级层次结构， 究和应用的热点．然而，出于成本、产量以及性能方 可作为透明导电电极制备的理想模板．将仿生树叶 面（光电性能、机械柔性）的限制，市场对替代 ＩＴＯ 结构引入大学课堂进行科学实验教学，有益于激发 解决方案的需求逐渐增长．这些限制包括： 宽带 ① 学生对自然仿生结构的理解，培养学生实验动手能 隙金属氧化物本身较大的电阻，及其在紫光和蓝光 力以及科研热情，是理论与实际结合非常紧密的实 区间的强吸收限制了其光电性能； 金属氧化物所 ② 验教学． 需要的部分金属元素，例如 Ｉｎ，属于稀有元素而造 成价格不断攀升； 金属氧化物本征质脆易碎，不易