Skalerbar løsning-behandlet Fabrication Strategy for High-Performance, Fleksibel, Transparent Elektroder med innebygd Metal Mesh
Summary
Denne protokollen beskriver en løsningsbasert fabrikasjonsstrategi for høyytende, fleksible, gjennomsiktige elektroder med fullt innebygd, tykt metallnett. Fleksible gjennomsiktige elektroder som er fremstilt ved denne prosessen, viser blant de høyest rapporterte forestillinger, inkludert ultra-lavt arkmotstand, høy optisk transmittans, mekanisk stabilitet under bøyning, sterk substratadhesjon, overflatejevnhet og miljøstabilitet.
Abstract
Her rapporterer forfatterne den innebygde metallgjennomskinnelige gjennomsiktige elektroden (EMTE), en ny gjennomsiktig elektrode (TE) med et metallnett fullstendig innebygd i en polymerfilm. Dette papiret presenterer også en billig, vakuumfri produksjonsmetode for denne nye TE; Tilnærmingen kombinerer litografi, elektroplating og overtrykksoverføring (LEIT) prosessering. EMTE-embedded-karakteren gir mange fordeler, for eksempel høy overflatejevnhet, noe som er avgjørende for organisk produksjon av elektronisk utstyr; Overlegen mekanisk stabilitet under bøyning; Gunstig motstand mot kjemikalier og fuktighet; Og sterk vedheft med plastfilm. LEIT-fabrikasjon har en galvaniseringsprosess for vakuumfri metallavsetning og er gunstig for industriell masseproduksjon. Videre tillater LEIT å fremstille metallnett med et høyt aspektforhold ( dvs. tykkelse til linjebredde), betydelig forbedring av sin elektriske konduktans uten å negativt miste optisk transmittance. Vi demonstrerer flere prototyper av fleksible EMTEer, med arkresistanser lavere enn 1 Ω / kvadrat og overføringer større enn 90%, noe som resulterer i svært høye verdifall (FoM) – opp til 1,5 x 10 4 – som er blant de beste verdiene i Publisert litteratur.
Introduction
Over hele verden blir det gjennomført studier for å lete etter erstatninger for stive transparente ledende oksider (TCOs), for eksempel indiumtennoksid og fluor-dopet tinnoksid (FTO) fi lms, for å fremstille fleksible / tøybare TE som skal brukes i fremtidig fleksibel / Strekkbare optoelektroniske enheter 1 . Dette krever nye materialer med nye fabrikasjonsmetoder.
Nanomaterialer, slik som grafen 2 , ledende polymerer 3 , 4 , karbonnanorør 5 og tilfeldige metallnettetråder 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , har blitt studert og har demonstrert deres evner i fleksible TE, som retter seg mot manglene i Eksisterende TCO-baserte TE, Inkludert fiam-sårbarhet 12 , lav infrarød transmittans 13 og lav overflod 14 . Selv med dette potensialet er det fortsatt utfordrende å oppnå høy elektrisk og optisk konduktans uten forringelse under kontinuerlig bøyning.
I dette rammeverket utvikler vanlige metallnett 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 som en lovende kandidat og har oppnådd bemerkelsesverdig høy optisk gjennomsiktighet og lavt arkmotstand, som kan justeres på etterspørsel. Imidlertid har den omfattende bruken av metallnettbaserte TE'er blitt forhindret på grunn av utallige utfordringer. For det første innebærer fremstilling ofte den dyre, vakuumbaserte avsetningen av metaller 16 , 17 , </sup> 18 , 21 . For det andre kan tykkelsen lett forårsake elektrisk kortslutning 22 , 23 , 24 , 25 i tynnfilm organiske optoelektroniske enheter. For det tredje resulterer den svake adhesjonen med substratoverflaten i dårlig fleksibilitet 26 , 27 . Ovennevnte begrensninger har skapt en etterspørsel etter nye metallnettbaserte TE-strukturer og skalerbare tilnærminger for deres fabrikasjon.
I denne studien rapporterer vi en ny struktur av fleksible TE'er som inneholder et metallnett fullstendig innebygd i en polymerfilm. Vi beskriver også en nyskapende, løsningsbasert og billig produksjonstilnærming som kombinerer litografi, elektrodeposisjon og overføringsoverføring. FoM-verdier så høye som 15 k har blitt oppnådd på prøve-EMTE. På grunn av den innebygde naturen avEMTEer, bemerkelsesverdig kjemisk, mekanisk og miljømessig stabilitet ble observert. Videre kan den løsningsbehandlede fabrikasjonsteknikken som er etablert i dette arbeidet potensielt brukes til lavpris og høy gjennomstrømningsproduksjon av de foreslåtte EMTEene. Denne fabrikasjonsteknikken er skalerbar til finere metall-mesh linewidths, større områder og en rekke metaller.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vår fabrikasjonsmetode kan endres ytterligere for å tillate skalerbarhet av funksjonens størrelser og områder av prøven og for bruk av ulike materialer. Den vellykkede produksjonen av sub-mikrometerlinjebredde ( Figur 3a-3c ) kobber EMTEer ved hjelp av EBL viser at EMTE-strukturen og hovedtrinnene i LEIT-fabrikasjon, inkludert elektroplating og overføring av overføringer, kan pålides pålitelig ned til et sub-mikrometerområde. På samme måte kan andre stor-området litografipr…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble delvis støttet av Generaldirektoratet for Forskningsstipendierådet i Hongkongs spesielle administrative region (pris nr. 17246116), Young Scholar Programmet fra National Natural Science Foundation of China (61306123), Basic Research Program- Generell Program fra Vitenskap og Teknologi Innovasjonskommisjonen i Shenzhen Kommune (JCYJ20140903112959959), og Nøkkelforsknings- og utviklingsprogrammet fra Zhejiang Provincial Department of Science and Technology (2017C01058). Forfatterne vil gjerne takke Y.-T. Huang og SP Feng for deres hjelp med de optiske målingene.
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).
