绿色柔性电子器件衬底最新进展：可降解“透明纸”的低成本制备- 大数跨境

两江科技评论

2018-09-04

导读：南京大学的祝名伟副教授和美国马里兰大学胡良兵副教授等直接利用木材，只需两步，就可获得各向同性的“透明纸”。该透明纸由纳米纤维素纤维组成，可生物降解，具有很高的透明度（90%）和雾度（>80%），是一种

导读

近日，南京大学的祝名伟副教授和美国马里兰大学胡良兵副教授等在以木材为原材料的新材料研发方面又有新进展。他们直接利用木材，只需两步，就可获得各向同性的“透明纸”。该透明纸由纳米纤维素纤维组成，可生物降解，具有很高的透明度（90%）和雾度（>80%），是一种可应用于柔性电子、光学器件上的绿色材料。

相关研究成果于2018年8月1日发表在《ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES》，论文标题为“Isotropic Paper Directly from Anisotropic Wood: Top-Down Green Transparent Substrate Toward Biodegradable Electronics”。论文通讯作者为南京大学的祝名伟和美国马里兰大学的胡良兵，祝名伟、贾超、王以林为该论文的共同一作。

背景介绍

近年来，柔性电子领域的研究异常火热，该领域的发展日新月异并取得了长足的进展。目前柔性电子的衬底材料有透明塑料、柔性玻璃、金属箔等，其中最常用的还是塑料。众所周知，塑料给我们带来便利和缤纷，但因其分子极其稳定，降解周期长达上百年，使得塑料垃圾正在席卷全球；甚至，有人开玩笑说“塑料是唯一可以证明人类存在过于地球的证据”。因此迫切需要一种既具有透明、柔韧、可自由弯曲甚至折叠、又具有环境友好可生物降解的电子器件衬底材料。

马尔代夫另类的“垃圾岛”（图片来源：

http://news.qz828.com/system/2014/10/01/010896043.shtml）

纳米纤维素纤维（也就是木头的主要成分）因具有透明、强度高、原料丰富、环境友好等特点被广泛应用，其中由天然纳米纤维素纤维组成的“透明纸”是目前最有望取代传统电子衬底的材料。它具有高的透明度、雾度、柔性且环境友好、可生物降解的优点。传统的“透明纸”制备方法主要是一种“自下而上”的方法，主要是通过先获得纳米纤维素纤维来制备透明纸。这类方法所用的化学药品多、步骤繁杂、成本高，并且效率较低，反而对环境不友好。因此，生产成本低、工艺流程简单、环境友好的透明纸制备方法是透明纸走向市场的关键。

创新研究

传统的制备“透明纸”的方法是一种“自下而上”(Bottom Up)的制备方法，它主要包括两步：首先利用机械或者化学的方法将纤维素纤维从木材中分离出来，得到微米纤维素纤维；再通过多道处理，形成纤维素纳米纤维网络。这种自下而上制备透明纸的方法最为关键的是将微米级的纤维素纤维分离成纳米级的纤维素纤维，以消除纤维素纤维对光的散射作用，从而实现透明效果。但是纳米纤维素纤维的分离、漂洗、浓缩工艺将消耗大量的水、时间和能量，使得这种自下而上的方法低效、昂贵以及环境不友好。

本文研究者从另一个角度出发，摒弃了传统方法中纳米纤维素纤维的制备这一关键步骤，发展了一种“自上而下”（Top Down）的透明纸制备方法。这种方法不需要将纳米纤维素纤维从木材当中分离出来，它只包括简单的两个步骤：（1）去除木质素，以消除木质素中的有色基团对光的吸收；（2）利用压力使得纳米纤维重新排布并密实化，从而消除微结构对光的散射，实现光学均匀性和透明性（∼90%）。相比于传统自下而上的方法，这里自上而下的方法不再需要纳米纤维素纤维的制备和分离工艺，因此这种方法解决了传统方法工艺复杂、耗时、耗能的问题。同时，该方法可推广到利用草本原料制备透明纸，如竹子、草等，将进一步降低透明纸的成本。

研究人员将制备得到的各向同性的“透明纸”作为柔性电子和光学器件的衬底，成功制备出一个石墨烯晶体管器件，展现出了良好的电学特性。相信在不久的将来，这种与透明二维电子材料结合的柔性“透明纸”将会在手机、可穿戴式设备、柔性显示屏、医学传感器等方面大显身手。此外，这种完全由纤维素纤维素构成的衬底材料能够在较短时间内降解（实验显示该器件~6天即能在野外初步降解），不会在其废弃时给环境带来污染。

图文速览

图一自上而下与自下而上制备透明纸方法的比较

自上而下方法（步骤(1)-(2)）包括去木质素和加压两个过程；

自下而上方法（步骤(i)-(iv)）包括去木质素、微米纤维制备、纳米纤维制备、加压四个过程。

图二原始木材和透明纸形貌和结构的表征

a, 原始木材；

b, 原始木材的SEM；

c, SEM显示木材中各向异性的纳米纤维，纤维排列具有取向性；

d, e 透明纸及其SEM；

f，通过AFM观察到的透明纸中各向同性的纳米纤维，纳米纤维的排列非常随机；

b, e中插入的XRD图案显示了原始木材的各向异性和透明纸的各向同性。

图三通过压缩比可以对各向同性的纸进行调控

a, 去除木质素的木材压缩比（PR）分别为3.3，7.3，10.5；

b,c,d 分别为各个PR下透明纸样品的SEM图；

e, 各个压缩比情况下透明纸的透射光谱，总的透射率随着压缩比的增大而增大，但是在压缩比达到7.3之后，透射率的变化就会很小；

f, 各个压缩比情况下透明纸的雾度（haze）的变化，当压缩比越大，雾度就越小。

图四各向同性纸作为电子器件衬底的展示，以及它的瞬态特性研究

a，石墨烯晶体管；

b，源-漏极电流随着源漏极电压的变化图，显示出一个典型的欧姆接触；

c，源-漏极电流随着门电压的变化图（源漏极电压为10mV），显示出一个二极管的特性；

d,e 基于各向同性透明纸的器件在自然环境下会逐渐降解。

图五自上而下和自下而上两种方法制备各向同性透明纸的对比

a, 自上而下的方法：只需要两步，且只要一种化学试剂（NaClO）；

b, 自下而上的方法：需要用到很多化学试剂和复杂的设备；

c, 对于这两种方法在时间消耗，化学试剂消耗，水的消耗，以及能源消耗的对比。

参考文献

[1] Bottles, bags,ropes and tooth brushes: the struggle to track ocean plastics, Nature, 536, 265,2016

[2] Isotropic Paper Directly from Anisotropic Wood:Top-Down Green Transparent Substrate Toward Biodegradable Electronics, ACSAppl. Mater. Interfaces, 10, 28566, 2018

文章链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.8b08055

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