Summary

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

Published: June 23, 2017
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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…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été partiellement soutenu par le Fonds général de recherche du Conseil des subventions de recherche de la Région administrative spéciale de Hong Kong (Prix n ° 17246116), le Programme des jeunes chercheurs de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (61306123), le Programme de recherche de base – Programme général de la Commission d'innovation en science et technologie de la municipalité de Shenzhen (JCYJ20140903112959959), et le Programme clé de recherche et de développement du Département provincial de la science et de la technologie du Zhejiang (2017C01058). Les auteurs souhaitent remercier Y.-T. Huang et SP Feng pour leur aide avec les mesures optiques.

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

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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).

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