Масштабируемая стратегия обработки, разработанная для высокопроизводительных, гибких, прозрачных электродов с встроенной металлической сеткой
Summary
Этот протокол описывает стратегию изготовления на основе решений для высокопроизводительных, гибких, прозрачных электродов с полностью встроенной толстой металлической сеткой. Гибкие прозрачные электроды, изготовленные по этому процессу, демонстрируют самые высокие показатели, включая сверхнизкое сопротивление листа, высокую оптическую проходимость, механическую стабильность при изгибе, прочную адгезию подложки, плавность поверхности и стабильность окружающей среды.
Abstract
Здесь авторы сообщают о внедренном прозрачном электроде из металлической сетки (EMTE) – новом прозрачном электроде (TE) с металлической сеткой, полностью встроенной в полимерную пленку. В этом документе также представлен недорогой, без вакуума способ изготовления этого нового ТЕ; Подход сочетает обработку литографии, гальванизации и переноса отпечатков (LEIT). Встроенный характер EMTE предлагает множество преимуществ, таких как высокая гладкость поверхности, что важно для производства органических электронных устройств; Превосходная механическая стабильность при изгибе; Благоприятное сопротивление химическим веществам и влаге; И прочная адгезия с пластиковой пленкой. Производство LEIT представляет собой процесс гальванизации для вакуумного осаждения металлов и благоприятствует промышленному массовому производству. Кроме того, LEIT позволяет изготавливать металлическую сетку с высоким соотношением сторон ( т. Е. Толщиной до ширины линии), значительно увеличивая ее электропроводность, не отрицая потери оптического transmittance. Мы демонстрируем несколько прототипов гибких EMTE с сопротивлением листа менее 1 Ω / sq и коэффициентами пропускания более 90%, что приводит к очень высоким показателям достоинства (FoM) – до 1,5 x 10 4 – которые являются одними из лучших значений в Опубликованная литература.
Introduction
Во всем мире проводятся исследования по замене жестких прозрачных проводящих оксидов (ТСО), таких как оксид индия-олова и пленки с оксидом олова (FTO), легированные фтором, для изготовления гибких / растяжимых ТЭ, которые будут использоваться в будущих гибких / Растяжимые оптоэлектронные устройства 1 . Это требует новых материалов с новыми методами изготовления.
Изучены наноматериалы, такие как графен 2 , проводящие полимеры 3 , 4 , углеродные нанотрубки 5 и случайные металлические нанопроволочные сети 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 и продемонстрировали свои возможности в гибких ТЭ, устраняя недостатки Существующие ТСО на основе ТСО, Включая хрупкость пленки 12 , коэффициент пропускания инфракрасного диапазона 13 и низкий уровень 14 . Даже при таком потенциале все еще сложно достичь высокой электрической и оптической проводимости без ухудшения при непрерывном изгибе.
В этих рамках регулярные металлические сетки 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 эволюционируют как перспективный кандидат и обладают удивительно высокой оптической прозрачностью и низким сопротивлением листа, которые могут быть настроены по требованию. Тем не менее, широкое использование TE на основе металлической сетки было затруднено из-за многочисленных проблем. Во-первых, изготовление часто связано с дорогостоящим осаждением металлов 16 , 17 , </sup> 18 , 21 . Во-вторых, толщина может легко вызвать электрическое короткое замыкание 22 , 23 , 24 , 25 в тонкопленочных органических оптоэлектронных устройствах. В-третьих, слабая адгезия с поверхностью подложки приводит к плохой гибкости 26 , 27 . Вышеупомянутые ограничения создали спрос на новые TE-структуры на основе металлической сетки и масштабируемые подходы для их изготовления.
В этом исследовании мы сообщаем о новой структуре гибких ТЭ, которая содержит металлическую сетку, полностью встроенную в полимерную пленку. Мы также описываем инновационный подход, основанный на решениях и недорогой технологии, который сочетает в себе литографию, электроосаждение и передачу отпечатка. Значения FoM, достигающие 15k, были достигнуты на образцах EMTE. Из-за встроенного характераНаблюдались EMTE, замечательная химическая, механическая и экологическая стабильность. Кроме того, технология изготовления обработанного решения, установленная в этой работе, потенциально может быть использована для недорогого и высокопроизводительного производства предлагаемых EMTE. Эта технология изготовления масштабируется до более тонких линий сетки металлической сетки, больших площадей и ряда металлов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Наш метод изготовления может быть дополнительно модифицирован, чтобы обеспечить масштабируемость размеров и областей выборки и для использования различных материалов. Успешное изготовление ширины линии субмикрометра ( рис. 3a-3c ) с использованием EBL доказывает, что с…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была частично поддержана Фондом общих исследований Совета по грантам исследований Специального административного района Гонконга (Премия № 17246116), Программа молодых ученых Национального фонда естественных наук Китая (61306123), Программа фундаментальных исследований – (JCYJ20140903112959959), а также ключевую программу исследований и разработок в Областном департаменте науки и технологий провинции Чжэцзян (2017C01058). Авторы хотели бы поблагодарить Y.-T. Хуан и С. П. Фэн за помощь в оптических измерениях.
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).
