Summary

Skalbar lösning-bearbetad tillverkningsstrategi för högpresterande, flexibla, transparenta elektroder med inbyggd metallmask

Published: June 23, 2017
doi:

Summary

Detta protokoll beskriver en lösningsbaserad tillverkningsstrategi för högpresterande, flexibla, transparenta elektroder med fullt inbäddad tjock metallnät. Flexibla transparenta elektroder som tillverkas med detta förfarande visar bland de högst rapporterade prestanda, inklusive resistens mot extremt lågt ark, hög optisk transmittans, mekanisk stabilitet under böjning, starkt substratvidhäftning, ythaltighet och miljöstabilitet.

Abstract

Här rapporterar författarna den inbäddade metallnätets transparenta elektroden (EMTE), en ny transparent elektrod (TE) med ett metallnät helt inbäddat i en polymerfilm. Detta papper presenterar också en billig, vakuumfri tillverkningsmetod för denna nya TE; Tillvägagångssättet kombinerar litografi, elektroplätering och trycköverföring (LEIT) -behandling. EMTE: s inbyggda karaktär erbjuder många fördelar, till exempel hög ythaltighet, vilket är avgörande för organisk produktion av elektronisk utrustning. Överlägsen mekanisk stabilitet under böjning; Gynnsamt motstånd mot kemikalier och fukt Och stark vidhäftning med plastfilm. LEIT-tillverkning har en elektropläteringsprocess för dammfri metallavsättning och är gynnsam för industriell massproduktion. Vidare tillåter LEIT tillverkningen av metallnät med ett högt bildförhållande ( dvs tjocklek till linjebredden), vilket väsentligt förbättrar sin elektriska konduktans utan att negativt förlora optisk transmittance. Vi demonstrerar flera prototyper av flexibla EMTE, med arkresistans lägre än 1 Ω / kvadrat och överföringar över 90%, vilket resulterar i mycket höga meriter (FoM) – upp till 1,5 x 10 4 – som är bland de bästa värdena i Publicerad litteratur.

Introduction

I hela världen utförs studier för att leta efter ersättningar för styva transparenta ledande oxider (TCO), såsom indiumtennoxid och fluordopad tennoxid (FTO) fi lms, för att tillverka flexibla / töjbara TE som ska användas i framtida flexibla / Töjbara optoelektroniska anordningar 1 . Detta kräver nya material med nya tillverkningsmetoder.

Nanomaterial, såsom grafen 2 , ledande polymerer 3 , 4 , kolnanorör 5 och slumpmässiga nätverksnätverk 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , har studerats och har visat deras förmåga i flexibla TE, tack vare bristerna i Befintliga TCO-baserade TE, Inklusive fiam-sårbarhet 12 , låg infraröd transmittans 13 och låg överflöd 14 . Även med denna potential är det fortfarande utmanande att uppnå hög elektrisk och optisk konduktans utan försämring under kontinuerlig böjning.

I denna ram utvecklas vanliga metallnät 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 som en lovande kandidat och har åstadkommit anmärkningsvärt hög optisk transparens och lågt arkmotstånd, som kan avstämas vid behov. Den omfattande användningen av metallbaserade TE har dock hindrats på grund av många utmaningar. För det första innebär tillverkning ofta den dyra, vakuumbaserade avsättningen av metaller 16 , 17 , </sup> 18 , 21 . För det andra kan tjockleken lätt leda till elektrisk kortslutning 22 , 23 , 24 , 25 i tunnfilm organiska optoelektroniska anordningar. För det tredje ger den svaga vidhäftningen med substratytan en dålig flexibilitet 26 , 27 . Ovannämnda begränsningar har skapat en efterfrågan på nya metallbaserade TE-strukturer och skalbara tillvägagångssätt för deras tillverkning.

I denna studie rapporterar vi en ny struktur av flexibla TEs som innehåller ett metallnät helt inbäddat i en polymerfilm. Vi beskriver också ett innovativt, lösningsbaserat och billigt tillverkningsförfarande som kombinerar litografi, elektrodeposition och trycköverföring. FoM-värden så höga som 15k har uppnåtts på prov EMTE. På grund av den inbäddade naturen avEMTEs, anmärkningsvärd kemisk, mekanisk och miljöstabilitet observerades. Vidare kan den lösningsbehandlade tillverkningstekniken som upprättats i detta arbete potentiellt användas för lågpris och högproduktion av de föreslagna EMTE. Denna tillverkningsteknik är skalbar till finare metallnätlinjebredder, större ytor och en rad metaller.

Protocol

VARNING: Var uppmärksam på elektronstrålsäkerheten. Använd lämpliga skyddsglasögon och kläder. Hantera också alla brandfarliga lösningsmedel och lösningar noggrant. 1. Fotolitografibaserad tillverkning av EMTE Fotolitografi för tillverkning av nätmönstret. Rengör FTO-glas substrat (3 cm x 3 cm) med flytande tvättmedel med bomullspinne. Skölj dem noggrant med avjoniserat (DI) vatten med en ren bomullspinne. Vidare rengör dem med ultraljud…

Representative Results

Figur 1 visar schematisk och tillverkningsflödesschemat för EMTE-proverna. Som framgår av figur la , består EMTE av ett metallnät fullt inbäddat i en polymerfilm. Maskans övre yta ligger på samma nivå som substratet, vilket visar en allmänt slät plattform för efterföljande enhetsproduktion. Tillverkningstekniken förklaras schematiskt i Figur Ib – e . Efter spincoating …

Discussion

Vår tillverkningsmetod kan modifieras ytterligare för att möjliggöra skalbarhet av särdragsstorleken och områdena i provet och användningen av olika material. Den framgångsrika tillverkningen av sub-mikrometerlinjebredd ( Figur 3a-3c ) koppar EMTE med EBL visar att EMTE-strukturen och nyckelstegen i LEIT-tillverkning, inklusive elektroplätering och trycköverföring, kan minskas tillförlitligt till ett sub-mikrometerområde. På liknande sätt kan andra processer för storomr?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete stöddes delvis av generaldirektoratet för forskningsbidragsrådet i Hongkongs särskilda administrativa region (pris nr 17246116), ungdomsprogrammet från National Natural Science Foundation of China (61306123), Basic Research Program- Allmän Program från Vetenskap och Teknik Innovation Commission of Shenzhen Kommun (JCYJ20140903112959959), och Key Research and Development Program från Zhejiang Provincial Institutionen för vetenskap och teknik (2017C01058). Författarna vill tacka Y.-T. Huang och SP Feng för deras hjälp med de optiska mätningarna.

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

  1. 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).
  2. Bonaccorso, F., Sun, Z., Hasan, T., Ferrari, A. C. Graphene photonics and optoelectronics. Nat Photonics. 4 (9), 611-622 (2010).
  3. Kirchmeyer, S., Reuter, K. Scientific importance, properties and growing applications of poly(3,4-ethylenedioxythiophene). J Mater Chem. 15 (21), 2077-2088 (2005).
  4. 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).
  5. Zhang, M., et al. Strong, Transparent, Multifunctional, Carbon Nanotube Sheets. Science. 309 (5738), 1215-1219 (2005).
  6. 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).
  7. van de Groep, J., Spinelli, P., Polman, A. Transparent Conducting Silver Nanowire Networks. Nano Lett. 12 (6), 3138-3144 (2012).
  8. Hong, S., et al. Highly Stretchable and Transparent Metal Nanowire Heater for Wearable Electronics Applications. Adv Mater. 27 (32), 4744-4751 (2015).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Kumar, A., Zhou, C. The Race To Replace Tin-Doped Indium Oxide: Which Material Will Win?. ACS Nano. 4 (1), 11-14 (2010).
  15. 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).
  16. Wu, H., et al. A Transparent Electrode Based on a Metal Nanotrough Network. Nat Nanotechnol. 8 (6), 421-425 (2013).
  17. Han, B., et al. Uniform Self-Forming Metallic Network as a High-Performance Transparent Conductive Electrode. Adv Mater. 26 (6), 873-877 (2014).
  18. Kim, H. -. J., et al. High-Durable AgNi Nanomesh Film for a Transparent Conducting Electrode. Small. 10 (18), 3767-3774 (2014).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Ahn, B. Y., et al. Omnidirectional Printing of Flexible, Stretchable, and Spanning Silver Microelectrodes. Science. 323 (5921), 1590-1593 (2009).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Ellmer, K. Past achievements and future challenges in the development of optically transparent electrodes. Nat Photonics. 6 (12), 809-817 (2012).
  27. Choi, H. -. J., et al. Uniformly embedded silver nanomesh as highly bendable transparent conducting electrode. Nanotechnol. 26 (5), 055305 (2015).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Manfrinato, V. R., et al. Resolution Limits of Electron-Beam Lithography toward the Atomic Scale. Nano Lett. 13 (4), 1555-1558 (2013).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
check_url/56019?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Khan, A., Lee, S., Jang, T., Xiong, Z., Zhang, C., Tang, J., Guo, L. J., Li, W. Scalable Solution-processed Fabrication Strategy for High-performance, Flexible, Transparent Electrodes with Embedded Metal Mesh. J. Vis. Exp. (124), e56019, doi:10.3791/56019 (2017).

View Video