Strategia di Fabbricazione elaborata in soluzione scalabile per elettrodi ad alte prestazioni, flessibili e trasparenti con maglia metallica incorporata
Summary
Questo protocollo descrive una strategia di fabbricazione basata sulla soluzione per elettrodi ad alte prestazioni, flessibili e trasparenti con maglie di metallo completamente incorporate. Gli elettrodi trasparenti flessibili fabbricati da questo processo dimostrano tra le più elevate prestazioni riportate, tra cui la resistenza alla lastra ultra-bassa, l'elevata trasmittanza ottica, la stabilità meccanica in curva, una forte adesione del substrato, la morbidezza della superficie e la stabilità ambientale.
Abstract
Qui gli autori riportano l'elettrodo trasparente (EMTE) metallico incorporato, un nuovo elettrodo trasparente (TE) con una maglia metallica completamente incorporata in un film polimerico. Questo documento presenta anche un metodo di fabbricazione a basso costo senza vuoto per questa nuova TE; L'approccio combina la lavorazione litografica, elettrolitica e trasferimento impronta (LEIT). La natura incorporata delle EMTE offre molti vantaggi, ad esempio la lisciezza superficiale, essenziale per la produzione di dispositivi elettronici organici; Stabilità meccanica superiore durante la curvatura; Favorevole resistenza alle sostanze chimiche e all'umidità; E forte adesione con pellicola in plastica. La fabbricazione di LEIT prevede un processo di galvanizzazione per la deposizione di metalli privi di vuoto e favorisce la produzione di massa industriale. Inoltre, LEIT consente la realizzazione di maglie metalliche ad elevato rapporto di aspetto ( cioè spessore con larghezza di linea), migliorando notevolmente la conducibilità elettrica senza perdere negativamente le prestazioni otticheansmittance. Abbiamo dimostrato diversi prototipi di EMTE flessibili, con resistenze in fogli inferiori a 1 Ω / sq e trasmittanze superiori al 90%, con conseguente elevate figure di merito (FoM) – fino a 1,5 x 10 4 – che sono tra i migliori valori del Letteratura pubblicata.
Introduction
In tutto il mondo sono stati condotti studi per cercare sostituzioni di ossidi di stagno trasparente rigidi (TCO) come ossido di stagno di indio e fi lms di ossido di stagno drogato con fluoro, al fine di realizzare TEs flessibili / estensibili da utilizzare in futuri flessibili / Dispositivi optoelettronici estensibili 1 . Ciò richiede nuovi materiali con nuovi metodi di fabbricazione.
Sono stati studiati i nanomateriali, quali il grafene 2 , i polimeri conduttori 3 , 4 , i nanotubi di carbonio 5 e le reti a nastro random metalliche 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 e hanno dimostrato le proprie capacità in TE flessibili, affrontando le carenze di Esistenti TE-based TCO, Inclusa la fragilità della fi lma 12 , la bassa trasmittanza a infrarossi 13 e la bassa abbondanza 14 . Anche con questo potenziale, è ancora difficile raggiungere una elevata conducibilità elettrica ed ottica senza deteriorarsi in continua flessione.
In questo quadro, le linee metalliche regolari 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 si stanno evolvendo come un promettente candidato e hanno compiuto una trasparenza ottica notevolmente elevata e una bassa resistenza del foglio che può essere regolabile su richiesta. Tuttavia, l'uso estensivo di TEs a base di metallo è stato ostacolato a causa di numerose sfide. In primo luogo, la fabbricazione spesso coinvolge la costosa deposizione a base di vuoto dei metalli 16 , 17 , </sup> 18 , 21 . In secondo luogo, lo spessore può facilmente causare cortocircuiti elettrici 22 , 23 , 24 , 25 in dispositivi optoelettronici a film sottile. In terzo luogo, la debole adesione con la superficie del substrato produce una scarsa flessibilità 26 , 27 . Le limitazioni summenzionate hanno creato una richiesta di nuove strutture TE a base di metallo e approcci scalabili per la loro fabbricazione.
In questo studio, riportiamo una nuova struttura di TE flessibili che contiene una maglia metallica completamente incorporata in un film polimerico. Descriviamo anche un approccio innovativo, basato su soluzioni e basso costo che combina litografia, elettrodeposizione e trasferimento impronta. I valori di FoM fino a 15k sono stati raggiunti sulle EMTE di campionamento. A causa della natura incorporata diLe EMTE, notevoli stabilità chimica, meccanica e ambientale sono state osservate. Inoltre, la tecnica di fabbricazione elaborata nella soluzione stabilita in questo lavoro può essere potenzialmente utilizzata per la produzione a basso costo e ad alto rendimento delle EMTE proposte. Questa tecnica di fabbricazione è scalabile alle più grandi linee di maglie metalliche, aree più grandi e una gamma di metalli.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il nostro metodo di fabbricazione può essere ulteriormente modificato per consentire la scalabilità delle dimensioni e delle aree del campione e per l'utilizzo di vari materiali. La fabbricazione con successo di sottomicroimma-linewidth ( Figura 3a-3c ) di rame EMTE usando EBL dimostra che la struttura EMTE e le fasi chiave nella fabbricazione di LEIT, tra cui l'elettroplatura e il trasferimento di impronta, possono essere affidabilmente scalati fino ad un sotto-micrometro. Al…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato parzialmente sostenuto dal Fondo di Ricerca Generale del Consiglio di Grants Research della Regione Amministrativa Speciale di Hong Kong (premio n. 17246116), il programma Young Scholar del National Science Foundation of China (61306123) Programma Generale della Commissione per l'Innovazione Scienza e Tecnologia del Comune di Shenzhen (JCYJ20140903112959959), e il Programma chiave di Ricerca e Sviluppo del Dipartimento Provinciale della Scienza e della Tecnologia di Zhejiang (2017C01058). Gli autori vorrebbero ringraziare Y.-T. Huang e SP Feng per il loro aiuto con le misure ottiche.
Materials
| Acetone | Sigma-Aldrich | W332615 | Highly flammable |
| Isopropanol | Sigma-Aldrich | 190764 | Highly flammable |
| FTO Glass Substrates | South China Xiang S&T, China | ||
| Photoresist | Clariant, Switzerland | 54611L11 | AZ 1500 Positive tone resist (20cP) |
| UV Mask Aligner | Chinese Academy of Sciences, China | URE-2000/35 | |
| Photoresist Developer | Clariant, Switzerland | 184411 | AZ 300 MIF Developer |
| Cu, Ag, Au, Ni, and Zn Electroplating solutions | Caswell, USA | Ready to use solutions (PLUG N' PLATE) | |
| Keithley 2400 SourceMeter | Keithley, USA | 41J2103 | |
| COC Plastic Films | TOPAS, Germany | F13-19-1 | Grade 8007 (Glass transition temperature: 78 °C) |
| Hydraulic Press | Specac Ltd., UK | GS15011 | With low tonnage kit ( 0-1 ton guage) |
| Temperature Controller | Specac Ltd., UK | GS15515 | Water cooled heated platens and controller |
| Chiller | Grant Instruments, UK | T100-ST5 | |
| Polymethyl Methacrylate (PMMA) | Sigma-Aldrich | 200336 | |
| Anisole | Sigma-Aldrich | 96109 | Highly flammable |
| EBL Setup | Philips, Netherlands | FEI XL30 | Scanning electron microscope equipped with a JC Nabity pattern generator |
| Isopropyl Ketone | Sigma-Aldrich | 108-10-1 | |
| Silver Paste | Ted Pella, Inc, USA | 16031 | |
| UV–Vis Spectrometer | Perkin Elmer, USA | L950 |
References
- Hecht, D. S., Hu, L., Irvin, G. Emerging Transparent Electrodes Based on Thin Films of Carbon Nanotubes, Graphene, and Metallic Nanostructures. Adv Mater. 23 (13), 1482-1513 (2011).
- Bonaccorso, F., Sun, Z., Hasan, T., Ferrari, A. C. Graphene photonics and optoelectronics. Nat Photonics. 4 (9), 611-622 (2010).
- Kirchmeyer, S., Reuter, K. Scientific importance, properties and growing applications of poly(3,4-ethylenedioxythiophene). J Mater Chem. 15 (21), 2077-2088 (2005).
- Vosgueritchian, M., Lipomi, D. J., Bao, Z. Highly Conductive and Transparent PEDOT:PSS Films with a Fluorosurfactant for Stretchable and Flexible Transparent Electrodes. Adv Funct Mater. 22 (2), 421-428 (2012).
- Zhang, M., et al. Strong, Transparent, Multifunctional, Carbon Nanotube Sheets. Science. 309 (5738), 1215-1219 (2005).
- De, S., et al. Silver Nanowire Networks as Flexible, Transparent, Conducting Films: Extremely High DC to Optical Conductivity Ratios. ACS Nano. 3 (7), 1767-1774 (2009).
- van de Groep, J., Spinelli, P., Polman, A. Transparent Conducting Silver Nanowire Networks. Nano Lett. 12 (6), 3138-3144 (2012).
- Hong, S., et al. Highly Stretchable and Transparent Metal Nanowire Heater for Wearable Electronics Applications. Adv Mater. 27 (32), 4744-4751 (2015).
- Bari, B., et al. Simple hydrothermal synthesis of very-long and thin silver nanowires and their application in high quality transparent electrodes. J Mater Chem A. 4 (29), 11365-11371 (2016).
- Hyunjin, M., Phillip, W., Jinhwan, L., Seung Hwan, K. Low-haze, annealing-free, very long Ag nanowire synthesis and its application in a flexible transparent touch panel. Nanotechnol. 27 (29), 295201 (2016).
- Lee, H., et al. Highly Stretchable and Transparent Supercapacitor by Ag-Au Core-Shell Nanowire Network with High Electrochemical Stability. ACS Appl Mater Interfaces. 8 (24), 15449-15458 (2016).
- Cairns, D. R., et al. Strain-dependent electrical resistance of tin-doped indium oxide on polymer substrates. Appl Phys Lett. 76 (11), 1425-1427 (2000).
- Bel Hadj Tahar, R., Ban, T., Ohya, Y., Takahashi, Y. Tin doped indium oxide thin films: Electrical properties. J Appl Phys. 83 (5), 2631-2645 (1998).
- Kumar, A., Zhou, C. The Race To Replace Tin-Doped Indium Oxide: Which Material Will Win?. ACS Nano. 4 (1), 11-14 (2010).
- Hong, S., et al. Nonvacuum, Maskless Fabrication of a Flexible Metal Grid Transparent Conductor by Low-Temperature Selective Laser Sintering of Nanoparticle Ink. ACS Nano. 7 (6), 5024-5031 (2013).
- Wu, H., et al. A Transparent Electrode Based on a Metal Nanotrough Network. Nat Nanotechnol. 8 (6), 421-425 (2013).
- Han, B., et al. Uniform Self-Forming Metallic Network as a High-Performance Transparent Conductive Electrode. Adv Mater. 26 (6), 873-877 (2014).
- Kim, H. -. J., et al. High-Durable AgNi Nanomesh Film for a Transparent Conducting Electrode. Small. 10 (18), 3767-3774 (2014).
- Kwon, J., et al. Low-Temperature Oxidation-Free Selective Laser Sintering of Cu Nanoparticle Paste on a Polymer Substrate for the Flexible Touch Panel Applications. ACS Appl Mater Interfaces. 8 (18), 11575-11582 (2016).
- Suh, Y. D., et al. Nanowire reinforced nanoparticle nanocomposite for highly flexible transparent electrodes: borrowing ideas from macrocomposites in steel-wire reinforced concrete. J Mater Chem C. 5 (4), 791-798 (2017).
- Bao, C., et al. In Situ Fabrication of Highly Conductive Metal Nanowire Networks with High Transmittance from Deep-Ultraviolet to Near-Infrared. ACS Nano. 9 (3), 2502-2509 (2015).
- van Osch, T. H. J., Perelaer, J., de Laat, A. W. M., Schubert, U. S. Inkjet Printing of Narrow Conductive Tracks on Untreated Polymeric Substrates. Adv Mater. 20 (2), 343-345 (2008).
- Ahn, B. Y., et al. Omnidirectional Printing of Flexible, Stretchable, and Spanning Silver Microelectrodes. Science. 323 (5921), 1590-1593 (2009).
- Khan, A., Rahman, K., Hyun, M. -. T., Kim, D. -. S., Choi, K. -. H. Multi-nozzle electrohydrodynamic inkjet printing of silver colloidal solution for the fabrication of electrically functional microstructures. Appl Phys A. 104 (4), 1113-1120 (2011).
- Khan, A., Rahman, K., Kim, D. S., Choi, K. H. Direct printing of copper conductive micro-tracks by multi-nozzle electrohydrodynamic inkjet printing process. J Mater Process Technol. 212 (3), 700-706 (2012).
- Ellmer, K. Past achievements and future challenges in the development of optically transparent electrodes. Nat Photonics. 6 (12), 809-817 (2012).
- Choi, H. -. J., et al. Uniformly embedded silver nanomesh as highly bendable transparent conducting electrode. Nanotechnol. 26 (5), 055305 (2015).
- Khan, A., Li, S., Tang, X., Li, W. -. D. Nanostructure Transfer Using Cyclic Olefin Copolymer Templates Fabricated by Thermal Nanoimprint Lithography. J Vac Sci Technol B. 32 (6), (2014).
- Khan, A., et al. High-Performance Flexible Transparent Electrode with an Embedded Metal Mesh Fabricated by Cost-Effective Solution Process. Small. 12 (22), 3021-3030 (2016).
- Moon Kyu, K., Jong, G. O., Jae Yong, L., Guo, L. J. Continuous phase-shift lithography with a roll-type mask and application to transparent conductor fabrication. Nanotechnol. 23 (34), 344008 (2012).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Imprint of sub-25 nm vias and trenches in polymers. Appl Phys Lett. 67 (21), 3114-3116 (1995).
- Manfrinato, V. R., et al. Resolution Limits of Electron-Beam Lithography toward the Atomic Scale. Nano Lett. 13 (4), 1555-1558 (2013).
- Khan, A., et al. Solution-processed Transparent Nickel-mesh Counter Electrode with In-situ Electrodeposited Platinum Nanoparticles for Full-Plastic Bifacial Dye-sensitized Solar Cells. ACS Appl Mater Interfaces. 9 (9), 8083-8091 (2017).
- Lee, J., et al. A dual-scale metal nanowire network transparent conductor for highly efficient and flexible organic light emitting diodes. Nanoscale. 9 (5), 1978-1985 (2017).
- Khan, S., et al. Direct patterning and electrospray deposition through EHD for fabrication of printed thin film transistors. Current Appl Phys. 11 (1), S271-S279 (2011).
