Estrategia escalable de fabricación procesada por soluciones para electrodos transparentes de alto rendimiento y flexibles con malla metálica integrada
Summary
Este protocolo describe una estrategia de fabricación basada en soluciones para electrodos transparentes, flexibles y de alto rendimiento con malla metálica gruesa y totalmente incrustada. Los electrodos transparentes flexibles fabricados por este proceso demuestran entre los rendimientos más altos reportados, incluyendo resistencia de lámina ultrabaja, alta transmitancia óptica, estabilidad mecánica bajo flexión, adhesión de sustrato fuerte, suavidad superficial y estabilidad ambiental.
Abstract
Aquí, los autores informan el electrodo de malla metálica incrustada (EMTE), un nuevo electrodo transparente (TE) con una malla de metal completamente incrustado en una película de polímero. Este documento también presenta un bajo costo, método de fabricación libre de vacío para esta novela TE; El enfoque combina la litografía, galvanoplastia, y el proceso de transferencia de impresión (LEIT). La naturaleza incorporada de los EMTEs ofrece muchas ventajas, tales como alta suavidad superficial, que es esencial para la producción orgánica del dispositivo electrónico; Estabilidad mecánica superior durante la flexión; Resistencia favorable a los productos químicos ya la humedad; Y fuerte adhesión con película plástica. La fabricación LEIT cuenta con un proceso de galvanoplastia para la deposición de metales sin vacío y es favorable para la producción industrial en masa. Además, LEIT permite la fabricación de malla metálica con una alta relación de aspecto ( es decir, el espesor al ancho de línea), mejorando significativamente su conductancia eléctrica sin perjudicar la óptica trAnsmitancia Demostramos varios prototipos de EMTEs flexibles, con resistencias de lámina inferiores a 1 Ω / sq y transmitancias superiores al 90%, dando como resultado valores muy altos de mérito (FoM) – hasta 1,5 x 10 4 – que están entre los mejores valores en el Literatura publicada.
Introduction
En todo el mundo, se están realizando estudios para buscar reemplazos de óxidos conductores transparentes transparentes (TCO), tales como películas de óxido de estaño de indio y óxido de estaño dopado con flúor (FTO), con el fin de fabricar TEs flexibles / Dispositivos optoelectrónicos estirables 1 . Esto requiere nuevos materiales con nuevos métodos de fabricación.
Se han estudiado nanomateriales como el grafeno 2 , los polímeros conductores 3 , 4 , los nanotubos de carbono 5 y las redes aleatorias de nanocables metálicos 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 y han demostrado sus capacidades en TEs flexibles, abordando las deficiencias de Existentes basadas en TCO, Incluyendo la fragilidad de la película 12 , la baja transmitancia de infrarrojos 13 , y la baja abundancia 14 . Incluso con este potencial, todavía es difícil obtener alta conductancia eléctrica y óptica sin deterioro bajo flexión continua.
En este marco, las mallas metálicas regulares 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 están evolucionando como un candidato prometedor y han logrado una transparencia óptica notablemente alta y una baja resistencia de la hoja, que puede ajustarse a petición. Sin embargo, el uso extensivo de TE-malla basada en TE se ha obstaculizado debido a los numerosos desafíos. En primer lugar, la fabricación implica a menudo la costosa deposición a vacío de metales 16 , 17 , </sup> 18 , 21 . En segundo lugar, el espesor puede provocar fácilmente cortocircuitos eléctricos 22 , 23 , 24 , 25 en dispositivos optoelectrónicos orgánicos de película delgada. En tercer lugar, la adhesión débil con la superficie del substrato da como resultado una flexibilidad pobre 26 , 27 . Las limitaciones mencionadas anteriormente han creado una demanda de nuevas estructuras de TE basadas en malla metálica y enfoques escalables para su fabricación.
En este estudio, presentamos una nueva estructura de TEs flexibles que contiene una malla metálica completamente incrustada en una película de polímero. También describimos un enfoque de fabricación innovador, basado en soluciones y bajo costo que combina litografía, electrodeposición y transferencia de impresión. Se han logrado valores de FoM de hasta 15k en EMTEs de muestra. Debido a la naturaleza intrínseca deSe observaron EMTEs, notable estabilidad química, mecánica y ambiental. Además, la técnica de fabricación procesada en solución establecida en este trabajo se puede utilizar potencialmente para la producción de bajo costo y alto rendimiento de los EMTEs propuestos. Esta técnica de fabricación es escalable a anchos de línea de malla metálica más finos, áreas más grandes y una gama de metales.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nuestro método de fabricación puede modificarse adicionalmente para permitir la escalabilidad de los tamaños de las características y áreas de la muestra y para el uso de diversos materiales. La fabricación exitosa de EMTE de cobre de longitud de submicrometro ( Figura 3a-3c ) utilizando EBL demuestra que la estructura de EMTE y los pasos clave en la fabricación de LEIT, incluyendo la galvanoplastia y la transferencia de huella, pueden reducirse fiablemente a un rango submicromé…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado parcialmente por el Fondo General de Investigación del Consejo de Subvenciones de Investigación de la Región Administrativa Especial de Hong Kong (Premio Nº 17246116), el Programa de Jóvenes Estudiosos de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (61306123) Programa General de la Comisión de Innovación Científica y Tecnológica del Municipio de Shenzhen (JCYJ20140903112959959), y el Programa de Investigación y Desarrollo Clave del Departamento Provincial de Ciencia y Tecnología de Zhejiang (2017C01058). Los autores desean agradecer a Y.-T. Huang y SP Feng por su ayuda con las mediciones ópticas.
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).
