六方氮化硼钝化铜纳米线—一种超稳定、选择性透明导体及智能隐私玻璃

【背景介绍】

透明导体（TCs）已成为现代光电子产品（如发光二极管（LED）、触摸屏和可穿戴电子产品）不可或缺的组成部分。目前，传统的铟锡氧化物（ITO）由于具有高的导电性和透射率（90%透射率时为10Ω/sq），占据了绝大部分的市场份额（>90%）。然而，由于ITO固有的机械脆弱性、高成本溅射工艺、地球上的铟储量低，使得其在TCs工业中的主导地位严重削弱。因此，各种各样的材料，如金属纳米线（NWs）网络、石墨烯（GR）、碳纳米管和导电聚合物等，已经被广泛研究以取代ITO作为下一代TCs。在金属纳米线中，虽然银（Ag）具有较好的导电性，但铜的价格比银便宜100倍，其导电率仅比银低6%。此外，铜纳米系统网络具有低加工成本、低片电阻、高透光率和高机械强度，这使得它在不久的将来成为取代ITO最有希望的候选者之一。

稳定性是光电子器件和TCs器件最重要的性能要求之一。一般来说，设备的实际工作状态并不是那么理想和纯净。这些严格条件可能包括高电流、高温、高机械强度、高光强度或高频率。然而，Cu-NWs-TCs在环境气氛下的快速氧化、酸碱溶液中的腐蚀和高温下的熔化成为制约其应用的主要缺点。为了解决这些问题，人们开发了GR、氧化石墨烯（GO）、金属、金属氧化物和聚合物作为保护层来提高Cu-NWs的稳定性，并报道了GR涂层在LED器件中的实际应用。但在光电器件的外部环境和内部环境等环境条件下，其长期稳定性仍不理想。近年来，二维六方氮化硼（h-BN）以其高机械强度、高导热性、平面蜂窝状结构和原子厚度/光滑度等优异性能，引起了人们的广泛关注。原子蜂窝状结构是由硼和氮原子的强共价键构成的，能有效地抵抗气体或液体分子的渗透。因此，其优异的化学稳定性和高温（800 oC）下的抗氧化性甚至优于GR。先前的报道显示h-BN壳在金属纳米粒子和纳米晶上的包封作用。将Pt和PtRu合金纳米粒子包裹在几层h-BN壳层中形成核壳催化剂，可以有效缓解CO中毒问题，增强燃料电池的电催化反应。因此，二维h-BN层与金属纳米粒子和纳米晶紧密结合，展现出了其优异的抗氧化能力，可以提高其在各种性能上的稳定性。

由于美观和功能的原因，玻璃墙和玻璃窗在现代建筑中的应用越来越多。供暖、通风和空调系统几乎占建筑物能耗的一半，通常需要通过透明的墙壁和窗户来补偿能量损失。在现代建筑中，能量消耗主要是通过窗户对波长小于5 μm的中红外（mid-IR）光进行热辐射，而波长大于5 μm的中红外（mid-IR）光可以被传统玻璃窗部分吸收，再次转化为热辐射。虽然用真空镀银技术制备了高反射率、低发射率的镀银玻璃，以取代传统的玻璃窗，但其极高的价格严重制约了其应用。因此，具有低成本、可调光学和热性能的智能玻璃对于保护个人隐私和节约现代建筑内的辐射能量是必不可少的。

【成果简介】

近日，厦门大学蔡端俊教授、李森森教授（共同通讯作者）等人报道了六方氮化硼钝化技术并制备出了超稳定的、选择性透明的铜纳米线导体。作者采用低压化学气相沉积法，在Cu-NWs网络侧壁上外延生长少量原子层的六方氮化硼（h-BN）保护层，使其在高温（真空900 ℃）、高湿度（95% RH）和强碱/强酸/氧化剂溶液（NaOH/H2O2）下皆可获得极高的稳定性。而且，所制备出Cu@h-BN的光学和电学性能与原Cu NWs基本相同（如高透光率（~93%）和高导电率（60.9 Ω/sq））。更有趣的，该透明电^有可见光和红外光的选择透过性，基于Cu@h-BN纳米线网络和液晶技术，作者成功地制备了一种新型智能隐私玻璃，它可以控制玻璃能见度由透明到不透明的快速切换（0.26 s）；同时，利用Cu@h-BN纳米线有效阻挡中红外光，可屏蔽辐射热，达到节能的目的和实现防止红外监控的功能。将成为未来智能建筑的黑科技组件之一。作者指出，该种Cu@h-BN核壳纳米结构的精密工程在未来高性能电子和光电子器件中有着广泛的应用。相关成果以“Cu Nanowires Passivated with Hexagonal Boron Nitride - An Ultra-Stable, Selectively Transparent Conductor”发表于ACS Nano上。