埋め込み金属メッシュを用いた高性能で柔軟で透明な電極のための拡張可能なソリューション処理製作戦略
Summary
このプロトコルは、完全に埋め込まれた厚い金属メッシュを備えた、高性能で柔軟性のある透明電極のためのソリューションベースの製造戦略を記述しています。このプロセスによって製造された可撓性透明電極は、極低シート抵抗、高い光透過率、曲げ下での機械的安定性、強い基材接着性、表面平滑性および環境安定性を含む、報告された最高性能の中で実証されている。
Abstract
ここでは、金属メッシュがポリマーフィルムに完全に埋め込まれた新しい透明電極（TE）である埋め込み金属メッシュ透明電極（EMTE）について報告しています。この論文はまた、この新規なTEのための低コスト、真空フリーの製造方法を提示する。このアプローチは、リソグラフィ、電気めっき、およびインプリント転写（LEIT）処理を組み合わせる。 EMTEの埋め込まれた性質は、有機電子デバイス製造に不可欠である高い表面平滑性、曲げ加工中の優れた機械的安定性;化学薬品および水分に対する良好な耐性;プラスチックフィルムとの強い接着性。 LEIT製造は、真空を用いない金属蒸着のための電気めっきプロセスを特徴とし、工業的大量生産に有利である。さらに、LEITは、高いアスペクト比（ すなわち、線幅に対する厚さ）を有する金属メッシュの製造を可能にし、光trを不利に損失することなくその電気伝導性を著しく向上させるアシュミタンス。 1Ω/ sq以下のシート抵抗と90％以上の透過率を持つ柔軟性のあるEMTEのプロトタイプをいくつか試作し、最高の性能指数（FoM） – 最大1.5 x 10 4を達成しました。出版された文献。
Introduction
将来、柔軟性/伸縮性の高いTEを製造するために、インジウムスズ酸化物やフッ素ドープ酸化スズ（FTO）フィルムなどの剛性透明導電性酸化物（TCO）の代替品を探す研究が世界中で行われています。伸縮可能なオプトエレクトロニクスデバイス1 。これは、新しい製造方法を有する新規な材料を必要とする。
グラフェン2 、導電性ポリマー3,4 、カーボンナノチューブ5 、およびランダム金属ナノワイヤネットワーク6,7,8,9,10,11のようなナノ材料は研究されており、柔軟性TEにおけるそれらの能力を実証しており、既存のTCOベースのTEフィルムの脆弱性12 、低赤外線透過率13 、および低存在度14を含む 。この可能性があるとしても、連続曲げの下で劣化することなく、高い電気的および光学的コンダクタンスを達成することは依然として困難である。
この枠組みでは、規則的な金属メッシュ15,16,17,18,19,20が有望な候補として進化しており、要求に応じて調整可能な、非常に高い光透過性と低いシート抵抗を達成している。しかしながら、金属メッシュベースのTEの広範な使用は、多くの課題のために妨げられてきた。第1に、製造は、金属16,17,18の高価で真空に基づく堆積を伴うことが多い。 </sup> 18,21 。第2に、厚さは、薄膜有機光電子デバイスにおいて電気的短絡22,23,24,25を容易に引き起こす可能性がある。第3に、基板表面との弱い接着は、貧弱な柔軟性をもたらす26,27 。上述の制限により、新規な金属メッシュベースのTE構造およびその製造のためのスケーラブルなアプローチに対する需要が生まれている。
本研究では、ポリマーフィルムに完全に埋め込まれた金属メッシュを含む柔軟なTEの新規構造を報告する。また、リソグラフィ、電着、インプリント転写を組み合わせた、革新的でソリューションベースの低コストの製造手法についても説明します。サンプルEMTEでは、15kという高いFoM値が達成されています。埋め込まれた性質のために顕著な化学的、機械的および環境的安定性が観察された。さらに、この研究で確立された溶液処理された製造技術は、提案されたEMTEの低コストおよび高スループット生産に潜在的に使用され得る。この製造技術は、より微細な金属メッシュ線幅、より広い領域、およびある範囲の金属にスケーラブルである。
Protocol
Representative Results
Discussion
当社の製造方法は、サンプルのフィーチャ・サイズと面積のスケーラビリティと様々な材料の使用を可能にするように、さらに変更することができます。 EBLを使用したサブミクロン線幅（ 図3a〜3c ）の銅EMTEの製造を成功させることは、電気めっきおよびインプリント転写を含むLEIT製造におけるEMTE構造および重要なステップが、サブマイクロメートルの範囲に確実?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、香港特別行政区の研究補助金協議会総会（奨学金番号17246116）、中国国立自然科学財団の若手研究者奨学金プログラム（61306123）、基礎研究プログラム – 深セン市科学技術革新委員会（JCYJ20140903112959959）の一般プログラム、および浙江省科学技術省の主要研究開発プログラム（2017C01058）などがあります。著者はY.-Tに感謝したいと思います。 Huang氏とSP Feng氏は、光学計測のご協力をいただきました。
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 |
Referenzen
- 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).
