قابلة للتطوير حل معالجتها استراتيجية تصنيع عالية الأداء، مرنة، أقطاب شفافة مع شبكة معدنية جزءا لا يتجزأ

الهدف العام من هذا الإجراء هو استخدام عملية تصنيع قائمة على المحلول تجمع بين الطباعة الحجرية (lithography)، والترسيب الكهربائي، ونقل الطبع لإنتاج غشاء موصل شفاف ومرن وعالي الأداء يحتوي على شبكة معدنية دقيقة مدمجة بالكامل ومثبتة ذاتياً. ويمكن لهذه الشبكة أن تساعد في معالجة التحديات الرئيسية التي تواجه الأجهزة الإلكترونية المرنة المستقبلية القائمة على الشبكات المعدنية، مثل تضاريس السطح غير المستوية، وانخفاض إنتاجية التصنيع، وارتفاع تكلفة التصنيع. وتوفر الشبكة المعدنية المدمجة مزايا عدة، مثل النعومة الذاتية الجوهرية، والاستقرار الميكانيكي، والقدرة العالية على تحمل الإجهاد الحراري، والالتصاق القوي بالركيزة المرنة، والمقاومة ضد الرطوبة والأكسجين والمواد الكيميائية.

ستعتمد عمليتنا في ترسيب المعادن على الترسيب الكهربائي القائم على المحاليل، وهي عملية بسيطة تسمح بتحقيق إنتاجية عالية، من حيث الحجم والتكلفة المنخفضة. وقد ساعدت مجموعتي مجموعة الدكتورة Wendy Lee في اختبار استقرار الأبعاد لعملية تصنيع الشبكات المعدنية عن طريق نمذجة شبكة معدنية بحجم 400 نانومتر باستخدام نظامنا المصنع محلياً للطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية. وسيقوم مساعدي Xiong Ze بشرح عملية النمذجة بالحزمة الإلكترونية.

لبدء عملية تصنيع EMTE، يتم تنظيف قطعة من الزجاج المغطى بأكسيد القصدير المشوب بالفلور (FTO) بمقاس 3 سنتيمتر في 3 سنتيمتر باستخدام منظف سائل ومسحة قطنية. اشطف ركيزة الزجاج جيدًا بالماء منزوع الأيونات، وأزل آثار المنظف بمسحة أخرى. ثم ضع زجاج FTO في جهاز السونيكاتور (الموجات فوق الصوتية) في الإيزوبروبانول لمدة 30 ثانية بتردد 40 كيلو هرتز.

ثم جفف الزجاج النظيف باستخدام الهواء المضغوط. بعد ذلك، ضع زجاج FTO النظيف والجاف في جهاز الطلاء الدوراني وقم بوضع 100 µL من المقاوم الضوئي الموجب. قم بطلاء الزجاج دورانياً بسرعة 4,000 RPM لمدة 60 ثانية لإنتاج غشاء بسمك 1.8 micron.

يُخبز الزجاج المطلي عند درجة حرارة 100 °C لمدة 50 ثانية. يتم تغطية الزجاج المطلي بقناع ذو نمط شبكي، ويُعرّض المقاوم الضوئي لضوء UV كافٍ لتحقيق تدفق إشعاعي قدره 20 mJ/cm². بعد ذلك، يُغمر الزجاج المطلي في المظهر المناسب لمدة 50 ثانية لإزالة المقاوم الضوئي المعرّض للضوء.

اشطف العينة بالماء منزوع الأيونات وجففها تحت تيار من الهواء المضغوط. بعد ذلك، ضع 100 miloliters من محلول الطلاء الكهربائي للنحاس في دورق سعة 250 milliliter. اغمر العينة في محلول الطلاء.

وقم بتوصيله بالقطب السالب لجهاز ترسيب كهربائي ثنائي الأقطاب. ثم صِل قضيباً من النحاس المعدني بالقطب الموجب للجهاز. طبق تياراً ثابتاً قدره 5 mA لتحقيق كثافة تيار تبلغ 3 mA/cm² لمدة 15 دقيقة، وذلك لترسيب طبقة من النحاس بسمك 1.5 micron على العينة.

تُعد عملية التغطية الكهربائية خطوة حاسمة في التصنيع. حيث تؤثر كثافة التيار ووقت الطلاء الكهربائي على مورفولوجيا الشبكة المعدنية والأداء النهائي، لذا يجب اختبارها وتحسينها باستخدام عيناتكم الخاصة. اشطف العينة المطلية كهربائياً جيداً بالماء منزوع الأيونات، ثم جففها تحت تيار من الهواء المضغوط.

اغمر العينة في الأسيتون لمدة خمس دقائق لإذابة ما تبقى من المقاوم الضوئي لترك شبكة معدنية عارية فوق سطح زجاج FTO. اشطف العينة وجففها باستخدام الماء منزوع الأيونات والهواء المضغوط. بعد ذلك، ضع العينة على منصة المكبس الهيدروليكي بحيث تكون الشبكة المعدنية متجهة للأعلى.

قم بتغطية العينة بفيلم من كوبوليمر الأوليفين الحلقي بسمك 100 ميكرون ودرجة حرارة انتقال زجاجي تبلغ 78 درجة مئوية. سخن الصفائح إلى 100 درجة مئوية، ثم طبق ضغط طبع قدره 15 ملي باسكال على العينة لمدة خمس دقائق. قم بخفض حرارة الصفائح إلى 40 درجة مئوية قبل تحرير ضغط الطبع.

يعتبر الضغط ودرجة الحرارة من الاهتمامات الأساسية الهامة في خطوة نقل الطبعة. تأكد من أن الطبعة والضغط منتظمان ومرتفعان بما يكفي لضمان النقل الكامل. يجب أن تكون درجة الحرارة أعلى بنحو 20 درجة من درجة حرارة الانتقال الزجاجي للمادة المستخدمة في الركيزة.

قم بتقشير الغشاء البوليمري الذي يحتوي على الشبكة المدمجة بعناية من سطح زجاج FTO للحصول على EMTE. لبدء تحضير EMTE دون ميكروني، قم بتنظيف قطعة من زجاج FTO مقاس ثلاثة سنتيمتر في ثلاثة سنتيمتر باستخدام منظف سائل ومياه منزوعة الأيونات، ثم اتبع ذلك بعملية سونيكة في كحول الإيزوبروبانول. ضع زجاج FTO النظيف والجاف في جهاز طلاء دوراني، وقم بتطبيق 100 µL من PMMA بتركيز 4% بالوزن في anastole.

قم بطلاء الزجاج بطريقة الطلاء الدوراني بسرعة 2500 RPM لمدة 60 ثانية لإنتاج غشاء بسُمك 150 nanometer. اخبز الغشاء عند درجة حرارة 170 degrees Celsius لمدة 30 دقيقة، ثم قم بتشغيل نظام الليثوغرافيا بالحزمة الإلكترونية وجهز نمطاً شبكياً باستخدام مولد الأنماط. ضع العينة في نظام الليثوغرافيا بالحزمة الإلكترونية وقم بتشغيل عملية تشكيل النمط.

يتم تطوير الـ PMMA عن طريق الغمر في خليط بنسبة واحد إلى ثلاثة من ميثيل إيزوبروبيل كيتون وإيزوبروبانول لمدة 60 ثانية. تُشطف العينة المنقوشة بالماء منزوع الأيونات وتُجفف تحت تيار من الهواء المضغوط. بعد ذلك، توضع العينة المنقوشة في محلول الطلاء الكهربائي بالنحاس، وتُوصل العينة بالطرف السالب لجهاز الترسيب الكهربائي ثنائي القطب.

قم بتوصيل الطرف الموجب بقضيب نحاسي معدني. قم بتطبيق تيار ثابت لتحقيق كثافة تيار مقدارها 3 mA/cm² لمدة دقيقتين لترسيب 200 nm من النحاس على العينة. اشطف العينة بالماء منزوع الأيونات ثم اغمر العينة في الأسيتون لمدة خمس دقائق لإذابة الـ PMMA.

بعد ذلك، ضع العينة على لوحة المكبس الهيدروليكي. غطِّ العينة بفيلم من البوليمر المشترك للأوليفين الحلقي بسمك 100 micron ودرجة حرارة انتقال زجاجي تبلغ 78 °C. سخن اللوحات إلى 100 °C وطبق ضغط طبع قدره 15 millipascals لمدة خمس دقائق.

قم بتبريد الألواح إلى 40 degrees Celsius قبل تحرير الضغط. قم بتقشير الغشاء بعناية من زجاج FTO للحصول على EMTE دون الميكرونية. لبدء قياسات مقاومة الشريحة، قم أولاً بفرد معجون الفضة على الحواف المتقابلة من EMTE واترك المعجون ليجف.

ضع المسابير الأربعة لجهاز قياس مقاومة الطبقة على خطوط المعجون الفضي وفقاً لتعليمات الشركة المصنعة للجهاز. قم بقياس وتسجيل مقاومة الطبقة. لإجراء قياسات النفاذية الضوئية، ضع أولاً الـ EMTE على حامل العينة في مقياس الطيف الضوئي للأشعة فوق البنفسجية والمرئية (UV vis spectrophotometer) المعاير والمضبوط على نفاذية 100%.

قم بمحاذاة العينة بشكل عمودي على الحزمة. سجل طيف انتقال لـ EMTE لتقييم الشفافية الكهربائية. تم تصنيع EMTEs من النحاس بأنماط شبكية متنوعة لتقييم تأثير هندسة الشبكة على خصائص القطب الكهربائي.

كانت نسبة الموصلية الكهربائية إلى الموصلية الضوئية للأقطاب الكهربائية الشفافة المصنوعة من النحاس (EMTEs) عند 550 نانومتر تزيد عن 1.5 × 10⁴. ورافقت الشبكات الأكثر سمكاً نفاذية ضوئية ومقاومة سطحية أقل. بينما رافقت الخطوات الأكبر مقاومة سطحية ونفاذية أعلى.

تم تصنيع أقطاب EMTEs باستخدام معادن متنوعة مع شبكة ذات خطوة قدرها 50 ميكرون، وأظهرت جميعها أطياف نفاذية مسطحة وخالية من السمات. وبناءً على العلاقة ذاتها بين سمك الشبكة والنفاذية، يمكن ضبط النفاذية والمقاومة الورقية أولاً عن طريق تعديل هندسة الشبكة وتكوينها. كما تم تقييم المقاومة الورقية لأقطاب EMTEs النحاسية فيما يتعلق باختبارات الثني الضغطي والشدّي.

لم يُلاحظ أي تغيير ملموس في اختبارات الانحناء الضغطي لمقاسات أربعة مليمتر وخمسة مليمتر. وتزداد مقاومة الورقة تدريجياً مع اختبارات الانحناء الشدّي. كما لم يُلاحظ أي تدهور في مقاومة الورقة على مدار 24 ساعة من التعرض للماء أو الإيزوبروبانول أو لجو حار ورطب.

يمكن للطلاب الجدد تعلم هذه التقنية خلال أيام قليلة. وبمجرد إتقانها، يمكن إتمام عملية التصنيع بأكملها في غضون ساعتين إلى ثلاث ساعات وتصبح المعدات جاهزة. تمهد هذه التقنية الطريق لاستخدام طرق تصنيع تعتمد على عمليات المحلول القابلة للتوسع لتطوير أجهزة مبتكرة ذات هياكل دقيقة ونانوية، مثل الشبكة المعدنية الدقيقة ذات النسبة الباعية العالية والمثبتة ذاتياً، والمدمجة في ركيزة مرنة.

يمكن للعديد من التطبيقات، مثل لوحات اللمس ومستشعرات الإزاحة والخلايا الشمسية، الاستفادة من أقطابنا الشفافة ذات الشبكة المعدنية المدمجة وعالية الأداء. بعد مشاهدة هذا الفيديو، سيكون لديك فهم جيد لكيفية استخدام عملية التصنيع القائمة على المحاليل هذه لإنتاج أقطاب شفافة ذات شبكة معدنية. شكراً للمشاهدة، ونحن منفتحون على التعاون.