Schaalbare Oplossing-Verwerkte Fabricage Strategie voor High Performance, Flexibele, Transparante Elektroden Met Embedded Metal Mesh
Summary
Dit protocol beschrijft een op oplossings gebaseerde fabricage-strategie voor high-performance, flexibele, transparante elektroden met volledig ingebed, dik metaalnetwerk. Flexibele transparante elektroden vervaardigd door dit proces tonen onder de hoogste gerapporteerde prestaties, waaronder ultra-lage velweerstand, hoge optische transmissie, mechanische stabiliteit onder buigen, sterke substraathechting, oppervlak gladheid en milieubestabiliteit.
Abstract
Hierin rapporteren de auteurs de embedded transparant elektrode (EMTE), een nieuwe transparante elektrode (TE) met een metalen gaas, volledig ingebed in een polymeer film. Dit papier presenteert ook een goedkope, vacuümvrije fabricage methode voor deze nieuwe TE; De aanpak combineert lithografie, elektroplating en imprintoverdracht (LEIT) verwerking. De embedded aard van de EMTEs biedt vele voordelen, zoals de hoge oppervlak gladheid, die essentieel is voor de productie van biologische elektronische apparaten; Superieure mechanische stabiliteit tijdens het buigen; Gunstige weerstand tegen chemicaliën en vocht; En sterke hechting met plastic film. LEIT fabricage beschikt over een elektropletteringsproces voor vacuümvrije metaalafzetting en is gunstig voor industriële massaproductie. Bovendien zorgt LEIT voor het vervaardigen van metalen gaas met een hoge aspectverhouding ( dwz de dikte tot de lijnbreedte), waardoor de elektrische geleidbaarheid aanzienlijk wordt versterkt zonder dat optische transmittance. We tonen verschillende prototypes van flexibele EMTE's, met bladweerstanden lager dan 1 Ω / m² en transmittances groter dan 90%, wat resulteert in zeer hoge cijfers van verdiensten (FoM) – tot 1,5 x 10 4 – die behoren tot de beste waarden in de Gepubliceerde literatuur.
Introduction
Wereldwijd worden studies uitgevoerd om te kijken naar vervangingen voor stijve transparante geleidende oxides (TCO's), zoals indiumtinoxide en fluor-gedoteerde tinoxide (FTO) fi lms, om flexibele / rekbare TE's te maken die in toekomstige flexibele / Rekbare opto-elektronische apparaten 1 . Dit vereist nieuwe materialen met nieuwe fabricagemethoden.
Nanomaterialen, zoals grafeen 2 , geleidende polymeren 3 , 4 , carbon nanobuizen 5 en willekeurige metalen nanowire netwerken 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , zijn onderzocht en hebben hun capaciteiten aangetoond in flexibele TE's, die de tekortkomingen van Bestaande TCO-gebaseerde TE's, Inclusief fi lm fragility 12 , low infrared transmittance 13 en low abundance 14 . Zelfs met dit potentieel is het nog steeds uitdagend om een hoge elektrische en optische geleidbaarheid te bereiken zonder te verslechteren bij continu buigen.
In dit kader worden regelmatige metalen mazen 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 ontwikkeld als een veelbelovende kandidaat en hebben opmerkelijk hoge optische transparantie en lage lakweerstand bereikt, die op aanvraag kan worden afgestemd. Het uitgebreide gebruik van metalen mesh-gebaseerde TE's is echter belemmerd vanwege vele uitdagingen. Ten eerste houdt fabricage vaak de dure, vacuümgebaseerde afzetting van metalen 16 , 17 , </sup> 18 , 21 . Ten tweede kan de dikte gemakkelijk elektrische kortsluiting 22 , 23 , 24 , 25 veroorzaken in dunne film organische opto-elektronische apparaten. Ten derde leidt de zwakke hechting met het substraatoppervlak tot slechte flexibiliteit 26 , 27 . De bovengenoemde beperkingen hebben de vraag gesteld naar nieuwe metalen gaas-gebaseerde TE-structuren en schaalbare benaderingen voor hun fabricage.
In deze studie rapporteren we een nieuwe structuur van flexibele TE's die een metalen gaas bevatten die volledig in een polymeer film is ingebed. We beschrijven ook een innovatieve, op oplossings gebaseerde en goedkope fabricage-aanpak die lithografie, elektrodepositie en afdrukoverdracht combineert. FoM waarden zo hoog als 15k zijn behaald op monsters EMTEs. Vanwege de embedded aard vanEMTE's, opmerkelijke chemische, mechanische en milieubestabiliteit werden waargenomen. Bovendien kan de in dit werk opgestelde oplossing verwerkt fabricage techniek mogelijk worden gebruikt voor de lage en hoge productie van de voorgestelde EMTE's. Deze fabricage techniek is schaalbaar naar fijnere metalen maaslijnbreedtes, grotere gebieden en een reeks metalen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Onze fabricagemethode kan verder worden aangepast om schaalbaarheid van de eigenschappen en gebieden van het monster en voor het gebruik van verschillende materialen mogelijk te maken. De succesvolle fabricage van sub-micrometer-linewidth ( Figuur 3a-3c ) koper EMTE's met behulp van EBL bewijst dat de EMTE-structuur en de belangrijkste stappen in LEIT fabricage, met inbegrip van elektroplating en afdrukoverdracht, betrouwbaar kunnen worden verlaagd naar een sub-micrometer bereik. Op…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door het General Research Fund van de Research Grants Council of the Special Administrative Region Hong Kong (Award No. 17246116), het Young Scholar Program van de National Natural Science Foundation of China (61306123), het Basic Research Program- Algemeen Programma van de Wetenschap en Technologie Innovatie Commissie van Shenzhen Gemeente (JCYJ20140903112959959), en het Key Research and Development Programma van de provinciale afdeling van Science and Technology van Zhejiang (2017C01058). De auteurs willen Y.-T graag bedanken. Huang en SP Feng voor hun hulp bij de optische metingen.
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).
