[发明专利]拓扑绝缘体柔性透明导电材料及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种拓扑绝缘体柔性透明导电材料及其制备方法与应用。

背景技术

拓扑绝缘体是一类全新的量子物态，其体相是有能隙的绝缘体，而表面是无能隙的金属态。因内禀的自旋轨道耦合作用，拓扑绝缘体金属性的表面态具有线性的能量色散关系，且表面态电子的自旋与动量满足特定的手性关系。此外，这种表面态受到严格的拓扑保护，不会因外来的扰动而失去金属性，载流子可以在表面无散射地传导。基于拓扑绝缘体独特的电子能带结构和在光﹑热﹑电﹑磁﹑力学等方面的优异性质，自发现以来就在凝聚态物理，固体化学和材料等领域受到了广泛的关注。其二维纳米材料自旋分辨，受时间反演对称性保护的表面态及大的比表面积，使拓扑绝缘体在宽波段，高性能光电器件上有广阔的应用前景。

透明导电薄膜作为一种具有低电阻和高透光率的薄膜材料，在发光二极管，太阳能电池，显示器，触摸屏等光电器件中应用广泛。传统的ITO电极因原材料铟的稀缺，自身呈脆性，大大限制了其在柔性光电器件中的应用。目前，以碳纳米管和石墨烯为代表的碳基透明电极和以银纳米线为代表的金属电极成为潜在的ITO替代材料。但在实际应用中，这些透明电极由于自身性质的局限，比如：加热和紫外光照的条件下，掺杂的碳纳米管电极会因为表面吸附质的脱附而使电导降低；金属电极在酸碱及氧化环境中表面易腐蚀，又受到制约。为了改善柔性透明导电薄膜在实际应用中的性能，必须进一步提高透明导电薄膜自身的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种拓扑绝缘体柔性透明导电材料及其制备方法与应用。

本发明提供的制备拓扑绝缘体柔性透明导电材料（也即薄膜或纳米材料）的方法，为如下方法a或b；

所述方法a包括如下步骤：

1）将基底进行图案化；

2）将拓扑绝缘体置于气体流向的中部，步骤1）所得基底置于气体流向的下方，向所述反应器中通入载气进行沉积，沉积完毕后停止所述载气的通入，降温至室温，在所述基底表面得到所述拓扑绝缘体薄膜；

所述方法b包括如下步骤：

3）将基底进行功能化修饰；

4）将拓扑绝缘体置于气体流向的中部，步骤3）所得基底置于气体流向的下方，向所述反应器中通入载气进行沉积，沉积完毕后停止所述载气的通入，降温至室温，在所述基底表面得到拓扑绝缘体纳米材料。

上述方法的所述步骤1）和步骤3）中，构成所述基底的材料选自云母、本征Si(111)、本征Si(100)、SiO₂/Si、GaAs(111)B、SiC(0001)、CdS(0001)、Al₂O₃(a-plane)和SrTiO₃(111)中的至少一种；

所述云母具体为氟金云母或白云母；

所述氟金云母的化学式为KMg₃(AlSi₃0₁₀)F₂；

在实际操作中，可在制备薄膜前再对如氟金云母等的基底进行处理，以获得新鲜洁净的基底。

如对于可从商业途径购买得到的氟金云母基底，可按如下方法获得新鲜洁净的基底：用机械剥离的方法除去表面几层，使之暴露出新鲜洁净的表面（如图1编号1）。

所述步骤1）图案化的方法为等离子体刻蚀或紫外光刻；图案化步骤中，所用掩膜为铜网或聚甲基丙烯酸甲脂薄膜；

所述聚甲基丙烯酸甲脂薄膜的厚度为5μm-30μm，具体为15μm；

所述等离子体刻蚀方法中，等离子体气氛为空气，输入功率为50-90W，具体为90W；刻蚀时间为10-20min，具体为15min；

所述基底的厚度为20μm-80μm，具体为30μm；

所述步骤3）功能化修饰的方法包括如下步骤：将多聚赖氨酸水溶液与含有Au纳米粒子的溶胶混匀后涂覆在所述基底上，晾干而得；

其中，所述多聚-L-赖氨酸(Poly-L-Lycine,PLL)水溶液的质量体积浓度为0.1%(w/v)；所述多聚-L-赖氨酸的分子量为150,000-300,000，CAS编号为25988-63-0，购于Sigma-Aldrich公司；

水溶液的作用是分散Au纳米粒子；

多聚赖氨酸和水的用量比为0.1g：1000mL；

所述Au纳米粒子的粒径为10nm-50nm，具体为20nm；

所述多聚赖氨酸水溶液与含有Au纳米粒子的溶胶的用量比为2μL-10μL：1mL，具体为5μL：1mL；