Skalierbare, lösungsverarbeitete Fertigungsstrategie für leistungsstarke, flexible, transparente Elektroden mit eingebettetem Metallgewebe
Summary
Dieses Protokoll beschreibt eine lösungsbasierte Fertigungsstrategie für hochleistungsfähige, flexible, transparente Elektroden mit voll eingebettetem, dickem Metallgewebe. Flexible transparente Elektroden, die durch dieses Verfahren hergestellt werden, zeigen unter den höchsten berichteten Leistungen, einschließlich des ultra-niedrigen Schichtwiderstandes, der hohen optischen Durchlässigkeit, der mechanischen Stabilität unter Biegung, der starken Substrathaftung, der Oberflächenglätte und der Umgebungsstabilität.
Abstract
Hier berichten die Autoren über die eingebettete Metall-Mesh-transparente Elektrode (EMTE), eine neue transparente Elektrode (TE) mit einem Metallgitter, das vollständig in einen Polymerfilm eingebettet ist. Dieses Papier stellt auch eine kostengünstige, vakuumfreie Herstellungsmethode für dieses neuartige TE dar; Der Ansatz kombiniert Lithographie, Galvanik und Aufdruck Transfer (LEIT) Verarbeitung. Die eingebettete Natur der EMTEs bietet viele Vorteile, wie hohe Oberflächenglätte, die für die Produktion von organischen elektronischen Geräten unerlässlich ist. Überlegene mechanische Stabilität beim Biegen; Günstige Beständigkeit gegen Chemikalien und Feuchtigkeit; Und starke Haftung mit Kunststofffolie. Die LEIT-Fertigung verfügt über einen Galvanisierungsprozess für die vakuumfreie Metallabscheidung und ist für die industrielle Massenproduktion günstig. Darüber hinaus ermöglicht LEIT die Herstellung von Metallgeweben mit einem hohen Aspektverhältnis ( dh Dicke zur Linienbreite), was seine elektrische Leitfähigkeit deutlich erhöht, ohne das optische tr zu verlierenAussendung Wir zeigen mehrere Prototypen von flexiblen EMTEs mit Blechwiderständen unter 1 Ω / qm und Durchlässigkeiten von mehr als 90%, was zu sehr hohen Leistungsgütern (FoM) – bis zu 1,5 x 10 4 – führt, die zu den besten Werten der Veröffentlichte Literatur.
Introduction
Weltweit werden Studien durchgeführt, um nach Ersatz für starre transparente leitfähige Oxide (TCOs) wie z. B. Indium-Zinn-Oxid und fluor-dotierte Zinnoxid (FTO) -Folien zu suchen, um flexible / dehnbare TEs zu fertigen, die in zukünftigen flexiblen / Dehnbare optoelektronische Geräte 1 . Dies erfordert neuartige Materialien mit neuen Herstellungsverfahren.
Nanomaterialien wie Graphen 2 , leitende Polymere 3 , 4 , Kohlenstoff-Nanoröhrchen 5 und zufällige Metall-Nanodraht-Netzwerke 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 wurden untersucht und ihre Fähigkeiten in flexiblen TEs unter Beweis gestellt Bestehende TCO-basierte TEs, Einschließlich der Filmfragilität 12 , der niedrigen Infrarotdurchlässigkeit 13 und der niedrigen Häufigkeit 14 . Auch bei diesem Potenzial ist es immer noch schwierig, eine hohe elektrische und optische Leitfähigkeit ohne Verschlechterung bei kontinuierlicher Biegung zu erreichen.
In diesem Rahmen entwickeln sich die üblichen Metallmaschen 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 als vielversprechender Kandidat und haben eine bemerkenswert hohe optische Transparenz und einen geringen Schichtwiderstand erreicht, die auf Anforderung abstimmbar sind. Allerdings wurde der umfangreiche Einsatz von Metallgewebe-TEs aufgrund zahlreicher Herausforderungen behindert. Zunächst beinhaltet die Herstellung oft die teure, vakuumbasierte Abscheidung von Metallen 16 , 17 , </sup> 18 , 21 . Zweitens kann die Dicke leicht einen elektrischen Kurzschluß 22 , 23 , 24 , 25 in Dünnfilm-organischen optoelektronischen Vorrichtungen verursachen. Drittens führt die schwache Adhäsion mit der Substratoberfläche zu einer schlechten Flexibilität 26 , 27 . Die oben erwähnten Einschränkungen haben eine Nachfrage nach neuartigen metallgewebten TE-Strukturen und skalierbaren Ansätzen für ihre Herstellung geschaffen.
In dieser Studie berichten wir über eine neuartige Struktur aus flexiblen TEs, die ein Metallgeflecht enthält, das vollständig in einen Polymerfilm eingebettet ist. Wir beschreiben auch einen innovativen, lösungsorientierten und kostengünstigen Herstellungsansatz, der Lithographie, Elektroabscheidung und Abdruckübertragung kombiniert. FoM-Werte bis zu 15k wurden bei Beispiel-EMTEs erreicht. Aufgrund der eingebetteten Natur vonEMTEs, bemerkenswerte chemische, mechanische und Umweltstabilität wurden beobachtet. Darüber hinaus kann die in dieser Arbeit verwendete lösungsverarbeitete Fertigungstechnik potentiell für die kostengünstige und hochdurchsatzbezogene Produktion der vorgeschlagenen EMTEs eingesetzt werden. Diese Fertigungstechnik ist skalierbar auf feinere Metallgitter-Linienbreiten, größere Flächen und eine Reihe von Metallen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Unser Herstellungsverfahren kann weiter modifiziert werden, um die Skalierbarkeit der Merkmalsgrößen und -bereiche der Probe und für die Verwendung verschiedener Materialien zu ermöglichen. Die erfolgreiche Fertigung von Kupfer-EMTEs mit Sub-Mikrometer-Linienbreiten ( Abb. 3a-3c ) mit EBL beweist, dass die EMTE-Struktur und die wichtigsten Schritte in der LEIT-Fertigung, einschließlich Galvanisierungs- und Aufdrucktransfer, zuverlässig auf einen Submikrometerbereich abgestuft werd…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde teilweise vom General Research Fund des Forschungsstipendienrats der Sonderverwaltungsregion Hongkong (Auszeichnung Nr. 17246116), dem Young-Scholar-Programm der Nationalen Naturwissenschaftlichen Stiftung von China (61306123), dem Grundlagenforschungsprogramm, unterstützt, General-Programm von der Wissenschaft und Technologie Innovation Kommission der Stadt Shenzhen (JCYJ20140903112959959), und die wichtigsten Forschungs- und Entwicklungsprogramm von der Zhejiang Provincial Department of Science and Technology (2017C01058). Die Autoren danken Y.-T. Huang und SP Feng für ihre Hilfe bei den optischen Messungen.
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).
