Gömülü Metal Örgülü Yüksek Performanslı, Esnek, Şeffaf Elektrotlar için Ölçeklenebilir Çözeltiyle İşlenmiş Üretim Stratejisi
Summary
Bu protokol, tamamen gömülü, kalın metal örgülü, yüksek performanslı, esnek, şeffaf elektrotlar için çözüm bazlı bir üretim stratejisi tanımlamaktadır. Bu yöntemle üretilen esnek transparan elektrotlar, ultra düşük sac direnci, yüksek optik transmitans, eğilme sırasındaki mekanik stabilite, güçlü alt katman yapışması, yüzey pürüzlülüğü ve çevresel stabilite dahil olmak üzere en yüksek performansı gösteriyor.
Abstract
Burada yazarlar, bir polimer filmin içine tamamen gömülmüş bir metal örgülü yeni bir şeffaf elektrot (TE) gömülü metal örgülü şeffaf elektrotu (EMTE) rapor ediyorlar. Bu yazıda ayrıca bu yeni TE için düşük maliyetli, vakum içermeyen bir imalat yöntemi sunulmuştur; Yaklaşım lithography, electroplating ve imprint transfer (LEIT) işlemlerini bir araya getiriyor. EMTE'lerin gömülü doğası, organik elektronik cihaz üretimi için gerekli olan yüksek yüzey yumuşaklığı gibi birçok avantaj sunar; Büküm esnasında üstün mekanik stabilite; Kimyasallara ve neme karşı elverişli direnç; Ve plastik film ile güçlü yapışma. LEIT imalatı, vakum içermeyen metal biriktirme için bir elektroliz işlemi içerir ve endüstriyel seri üretim için uygundur. Ayrıca, LEIT yüksek bir en-boy oranı ( örn . Çizgi genişliğine) sahip metal örgü imalatına izin verir ve optik tr'yi olumsuz bir şekilde kaybetmeden elektriksel iletkenliğini önemli ölçüde arttırır.ansmittance. Birden fazla levha direnci 1 Ω / sq ve transmitansları% 90'dan fazla olan, esnek EMTE'lerin birkaç prototipini sergiledik ve 1.5 x 10 4'e kadar çok yüksek değerlere (FoM) yol açtı. Bu, en iyi değerler arasındadır. Yayınlanmış edebiyat.
Introduction
Dünya çapında, esnek / gerilebilir TE'lerin imal edilmesi için gelecekte esnek / esnek olarak kullanılmak üzere, indiyum kalay oksit ve flor katkılı kalay oksit (FTO) filmleri gibi katı şeffaf iletken oksitler (TCO'lar) için yer değiştirmeleri aramak için çalışmalar sürdürülmektedir. Gerilebilir optoelektronik cihazlar 1 . Bu yeni imalat yöntemleri ile yeni malzemeler gerektirir.
Grafen 2 , iletken polimerler 3 , 4 , karbon nanotüpleri 5 ve rasgele metal nanotel ağları 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 gibi nanomalzemeler incelenmiş ve bunların esnek TE'lerdeki yeteneklerini göstermiş ve Mevcut TCO tabanlı TE'ler, Filmin kırılganlığı 12 , düşük kızıl ötesi transmitans 13 ve düşük bolluk 14 dahil . Bu potansiyeli bile olsa, sürekli bükülme altında bozulma olmadan yüksek elektriksel ve optik iletkenlik elde etmek zor.
Bu çerçevede, normal metal kafesler 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 umut verici bir aday olarak gelişmekte ve isteğe bağlı olarak ayarlanabilen oldukça yüksek optik şeffaflık ve düşük sac direnci sağlamışlardır. Bununla birlikte, metal kafes tabanlı TE'lerin yaygın kullanımı birçok zorluk yüzünden engellenmiştir. Birincisi, imalat sıklıkla metallerin pahalı, vakum bazlı çökelmesini içerir 16 , 17 , </sup> 18 , 21 . İkincisi, kalınlık, ince film organik optoelektronik cihazlarda elektrikli kısa devre 22 , 23 , 24 , 25'e neden olabilir. Üçüncüsü, alt tabaka yüzeyi ile zayıf yapışma zayıf esneklikle sonuçlanır 26 , 27 . Yukarıda belirtilen kısıtlamalar yeni metal örgü tabanlı TE yapıları ve bunların imalatı için ölçeklenebilir yaklaşımlar için bir talep yarattı.
Bu çalışmada, bir polimer filmde tamamen gömülü bir metal örgü içeren esnek TE'lerin yeni bir yapısı bildirilmektedir. Litografi, elektrodepozisyon ve baskı transferini birleştiren, yenilikçi, çözüm tabanlı ve düşük maliyetli imalat yaklaşımı da açıklanmaktadır. Örnek EMTE'de 15k'ye kadar FoM değerleri elde edilmiştir. Gömülü doğası gereğiEMTE, dikkat çekici kimyasal, mekanik ve çevresel stabilite gözlemlendi. Ayrıca, bu çalışmada oluşturulan çözüm ile işlenmiş üretim tekniği, önerilen EMTE'lerin düşük maliyetli ve yüksek üretim kapasiteli üretimi için potansiyel olarak kullanılabilir. Bu üretim tekniği, daha ince metal örgü çizgi genişliklerine, daha geniş alanlara ve çeşitli metallere ölçeklenebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Üretim yöntemimiz, numunenin özellik boyutlarının ve alanlarının ölçeklenebilirliği ve çeşitli materyallerin kullanımı için daha da modifiye edilebilir. EBL'yi kullanarak alt mikrometre çizgi genişliğinde ( Şekil 3a-3c ) bakır EMTE'lerin başarıyla üretilmesi, LEED üretiminde, elektrod kaplama ve baskı aktarımı da dahil olmak üzere EMTE yapısının ve kilit basamaklarının güvenilir bir şekilde bir alt mikrometre aralığına ölçeklendirilebilece…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma kısmen Hong Kong Özel İdari Bölgesinin Araştırma Hibeleri Konseyi (Ödül No. 17246116), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı Genç Bilim Akademisi Programı (61306123), Temel Araştırma Programı- Shenzhen Belediyesinin Bilim ve Teknoloji Yenilik Komisyonu Genel Programı (JCYJ20140903112959959) ve Zhejiang Eyalet Bilim ve Teknoloji Dairesi (2017C01058) Anahtar Araştırma ve Geliştirme Programı. Yazarlar Y.-T.'ye teşekkür etmek istiyorlar. Huang ve SP Feng, optik ölçümlerle ilgili yardımlarından dolayı.
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).
