Stratégie de fabrication élaborée par solution évolutive pour électrodes à haute performance, flexibles et transparentes avec un maillage métallique intégré

Summary

Ce protocole décrit une stratégie de fabrication basée sur la solution pour des électrodes flexibles et performantes à haute performance avec une maille en métal épaisse entièrement intégrée. Les électrodes transparentes flexibles fabriquées par ce procédé se distinguent par les performances les plus élevées, notamment la résistance à la feuille ultra-faible, la haute transmittance optique, la stabilité mécanique sous pliage, une adhérence solide au substrat, la lisibilité de la surface et la stabilité de l'environnement.

Abstract

Ici, les auteurs rapportent l'électrode transparente en maille métallique intégrée (EMTE), une nouvelle électrode transparente (TE) avec une maille métallique complètement intégrée dans un film polymère. Cet article présente également une méthode de fabrication peu coûteuse et sans vide pour ce TE nouveau; L'approche combine le traitement lithographique, électrolytique et de transfert d'empreinte (LEIT). La nature intégrée des EMTE offre de nombreux avantages, tels que la douceur de surface élevée, ce qui est essentiel pour la production de produits électroniques organiques; Stabilité mécanique supérieure lors de la flexion; Résistance favorable aux produits chimiques et à l'humidité; Et une forte adhérence avec un film en plastique. La fabrication de LEIT comporte un procédé d'électrodéposition pour le dépôt de métaux sans vide et est favorable à la production industrielle de masse. En outre, LEIT permet la fabrication de mailles métalliques avec un rapport d'aspect élevé ( c.-à-d., L' épaisseur à la largeur de ligne), améliorant significativement sa conductance électrique sans perdre de manière optiqueAnsmittance. Nous démontrons plusieurs prototypes d'EMTE flexibles, avec des résistances de feuilles inférieures à 1 Ω / sq et des transmissions supérieures à 90%, ce qui entraîne des valeurs de mérite très élevées (FoM) – jusqu'à 1,5 x 10 ⁴ – qui sont parmi les meilleures valeurs dans le Littérature publiée.

Introduction

Dans le monde entier, des études sont menées pour rechercher des remplacements d'oxydes conducteurs transparents rigides (TCO), tels que les films d'oxyde d'étain et d'oxyde d'étain dopé au fluor (FTO), afin de fabriquer des TE flexibles / extensibles à utiliser dans des conditions de flexibilité / Dispositifs optoélectroniques étirables ¹ . Cela nécessite de nouveaux matériaux avec de nouvelles méthodes de fabrication.

Les nanomatériaux, tels que le graphène ² , les polymères conducteurs ^{3 , 4} , les nanotubes de carbone ⁵ et les réseaux aléatoires de nanofils métalliques ^{6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11} , ont été étudiés et ont démontré leurs capacités dans les TE flexibles, en répondant aux défauts de TCE existants, Y compris la fragilité de film ¹² , la faible transmittance infrarouge ¹³ et la faible abondance ¹⁴ . Même avec ce potentiel, il est encore difficile d'obtenir une conductivité électrique et optique élevée sans détérioration sous pliage continu.

Dans ce cadre, les maillages métalliques réguliers ^{15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20} évoluent en tant que candidat prometteur et ont réalisé une transparence optique remarquablement élevée et une faible résistance de la feuille, qui peut être réglable sur demande. Cependant, l'utilisation extensive de TE à base de maille métallique a été entravée en raison de nombreux défis. Tout d'abord, la fabrication implique souvent le dépôt coûteux et sous vide de métaux ^{16 , 17 ,} </sup> ^{18 , 21} . Deuxièmement, l'épaisseur peut facilement provoquer des courts-circuits électriques ^{22 , 23 , 24 , 25} dans des dispositifs optoélectroniques organiques à couche mince. Troisièmement, l'adhérence faible avec la surface du substrat entraîne une faible flexibilité ^{26 , 27} . Les limitations susmentionnées ont créé une demande pour de nouvelles structures TE à base de maille métallique et des approches évolutives pour leur fabrication.

Dans cette étude, nous rapportons une nouvelle structure de TE flexible qui contient une maille métallique complètement intégrée dans un film polymère. Nous décrivons également une approche de fabrication novatrice, basée sur des solutions et peu coûteuse qui combine la lithographie, l'électrodéposition et le transfert d'empreinte. Des valeurs FoM jusqu'à 15k ont ​​été atteintes sur les EMTE d'échantillons. En raison de la nature intégrée deLes EMTE, une stabilité chimique, mécanique et environnementale remarquable ont été observées. De plus, la technique de fabrication traitée par solution établie dans ce travail peut être utilisée pour la production à faible coût et à haut débit des EMTE proposés. Cette technique de fabrication est évolutive vers des lignes de maille de maille plus fines, de plus grandes surfaces et une gamme de métaux.

Protocol

ATTENTION: faites attention à la sécurité des faisceaux d'électrons. Portez les lunettes de protection et les vêtements appropriés. En outre, manipulez tous les solvants et solutions inflammables. 1. Fabrication à base de photolithographie de l'EMTE Photolithographie pour la fabrication du maillage. Nettoyer les substrats en verre FTO (3 cm x 3 cm) avec un détergent liquide à l'aide d'un coton-tige. Rincez-les soigneusement avec d…

Representative Results

La figure 1 affiche le schéma et le diagramme de fabrication des échantillons EMTE. Comme le montre la figure 1a , l'EMTE se compose d'un treillis métallique entièrement encastré dans un film polymère. La face supérieure du maillage est au même niveau que le substrat, affichant une plate-forme généralement lisse pour la production ultérieure de l'appareil. La technique de fabrication est expliquée schéma…

Discussion

Notre méthode de fabrication peut être modifiée pour permettre l'évolutivité des tailles de caractéristiques et des zones de l'échantillon et pour l'utilisation de divers matériaux. La fabrication réussie des EMTE en cuivre sous-micromètre ( Figure 3a-3c ) utilisant EBL prouve que la structure EMTE et les étapes clés de la fabrication LEIT, y compris l'électrodéposition et le transfert d'impression, peuvent être ajustées de manière fiable à une plag…

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