随着科技的发展，超薄柔性透明电极（uFTEs）在诸如可穿戴光电子设备、植入式生物电子学、软体机器人等现代设备创新领域中备受关注。其具有高度的兼容性和舒适性，成为了科学家们关注的焦点。然而，为了实现这些应用，需要解决众多方面的挑战。其中，包括了传统制备方法的复杂性、高成本以及低效率等问题，以及对材料性能的严格要求，例如低电阻、高透射率和平滑的表面形态等。
在解决这些挑战的过程中，香港大学Wallace C. H. Choy教授联合香港科技大学化学系苏海斌教授等人提出了使用溶液处理方法来制备uFTEs，以实现更快、更简便、更低成本的生产。同时，他们还探索了不同的材料组合和制备工艺，以提高uFTEs的性能和稳定性。
具体来说，团队发现了一种新的解决方案，即利用金属氧化物半导体纳米材料与银纳米线的液态行为，实现了uFTEs的高操作稳定性和优异的性能。通过这些努力，团队成功地提高了uFTEs的制备效率和性能，为其在各种应用领域中的广泛应用奠定了基础，以上研究在Nature communication发表题为“Tri-system integration in metal-oxide nanocomposites via in-situ solution-processed method for ultrathin flexible transparent electrodes”的研究成果。通过解决其制备过程中的挑战和研究难点，研究者们已经取得了令人瞩目的进展，并为其未来的应用提供了更加可靠的基础。
为了提高基板集成式透明电极（uFTEs）的操作稳定性，作者通过三系统集成（Tri-System Integration）进行了一系列实验。首先在图1a中通过图解展示了通过iSPM处理金属氧化物纳米复合材料的制备过程，以及将纳米复合电极半嵌入cPI基板的完整制备流程。在图1b中展示了制备的极薄基板集成式uFTEs的光学照片，表明该技术的可行性。在图1c中通过实时监测操作电流密度，作者展示了具有三系统集成的uFTEs相对于没有该集成的uFTEs在多重加载条件下的操作稳定性的显著提高。实验结果可知，通过iSPM处理和cPI基板的加工，以及实时监测测试，作者成功提高了基板集成式uFTEs的操作稳定性，为其在实际应用中的应用提供了可靠支持。
图1. 三系统集成的坚固基底集成 UFTE 的高运行稳定性
在图2中作者通过透射电子显微镜（TEM）图像展示了三个关键界面的变化。在AgNW-AgNW界面（图a、b）上，iSPM前后显示出不同的结构，后者消除了阻挡剂层，使得AgNW能够直接接触，从而提高了电流传输效率。在ZnONP-ZnONP界面（图c、d）上，iSPM后ZnONP之间发生物理融合，增加了接触面积，提高了热传递效率。而在AgNW-ZnONP界面（图e、f）上，iSPM消除了阻挡层，使得ZnONP能够紧密附着在AgNW表面，形成更强的粘附接触，促进了热传递。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）图像（图g、h）展示了具有三系统集成的uFTEs表面更加平滑，进一步提高了性能。结果表明iSPM技术的应用有效实现了三系统集成，为基板集成式uFTEs的制备提供了新的途径，并为其在各种电子设备中的应用奠定了基础。
图2. 通过 iSPM 实现的三系统集成和基底集成 UFTE 极其光滑的表面
图3展示了通过原位透射电子显微镜（TEM）观察的ZnONP动力学演化过程。在图3a中展示了两个ZnONP的原位凝聚过程，从它们相距较远的初始阶段开始，逐渐融合形成一个直径约为4nm的圆形结构。这一过程在图3b中以一个ZnONP与AgNW表面的碰撞事件开始，随后ZnONP开始润湿并扩展到表面。图3c和d展示了其他ZnONP与AgNW表面的碰撞事件，随后的润湿过程。
研究发现，ZnONP在清洁的AgNW表面上表现出类似于粘性液体的润湿行为，其润湿过程遵循着液体的扩散规律。此外，图3e说明了ZnONP的尺寸对其润湿动力学的影响，显示出润湿半径与时间的平方根成正比的关系，符合粘性液体的特征。这些结果表明，iSPM能够促进ZnONP之间的凝聚和在AgNW表面的润湿，为构建高效的AgNW-ZnONP界面提供了重要线索。
图3. ZnONPs 与 AgNWs 的原位动态关系
本研究通过开发整体溶液加工的极薄基板集成透明电极（uFTEs）取得了在多方面（机械、电学、热学和湿度稳定性）具有卓越操作稳定性的显著成果。三系统集成的成功实现，即Ag纳米网络（AgNWs）和氧化锌纳米颗粒（ZnONPs）的复合电极，通过iSPM方法在纳米层面实现了卓越的结构控制。
该研究深入解析了AgNW-AgNW、ZnONP-ZnONP和AgNW-ZnONP的三系统集成，并揭示了iSPM对AgNW表面有机残留物的去除、ZnONP几何形状灵活演变以及ZnONP在AgNW上表现出的液态行为。这项研究不仅为uFTEs的工程应用提供了理论指导，而且对纳米材料混合组合的集成提供了新的科学启示，推动了透明电极技术的发展，为未来高效光电器件的设计和制备奠定了基础。
Kim, J.J., Shuji, K., Zheng, J. et al. Tri-system integration in metal-oxide nanocomposites via in-situ solution-processed method for ultrathin flexible transparent electrodes. Nat Commun 15, 2070 (2024).
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