Summary
Bu protokol, tamamen gömülü, kalın metal örgülü, yüksek performanslı, esnek, şeffaf elektrotlar için çözüm bazlı bir üretim stratejisi tanımlamaktadır. Bu yöntemle üretilen esnek transparan elektrotlar, ultra düşük sac direnci, yüksek optik transmitans, eğilme sırasındaki mekanik stabilite, güçlü alt katman yapışması, yüzey pürüzlülüğü ve çevresel stabilite dahil olmak üzere en yüksek performansı gösteriyor.
Abstract
Burada yazarlar, bir polimer filmin içine tamamen gömülmüş bir metal örgülü yeni bir şeffaf elektrot (TE) gömülü metal örgülü şeffaf elektrotu (EMTE) rapor ediyorlar. Bu yazıda ayrıca bu yeni TE için düşük maliyetli, vakum içermeyen bir imalat yöntemi sunulmuştur; Yaklaşım lithography, electroplating ve imprint transfer (LEIT) işlemlerini bir araya getiriyor. EMTE'lerin gömülü doğası, organik elektronik cihaz üretimi için gerekli olan yüksek yüzey yumuşaklığı gibi birçok avantaj sunar; Büküm esnasında üstün mekanik stabilite; Kimyasallara ve neme karşı elverişli direnç; Ve plastik film ile güçlü yapışma. LEIT imalatı, vakum içermeyen metal biriktirme için bir elektroliz işlemi içerir ve endüstriyel seri üretim için uygundur. Ayrıca, LEIT yüksek bir en-boy oranı ( örn . Çizgi genişliğine) sahip metal örgü imalatına izin verir ve optik tr'yi olumsuz bir şekilde kaybetmeden elektriksel iletkenliğini önemli ölçüde arttırır.ansmittance. Birden fazla levha direnci 1 Ω / sq ve transmitansları% 90'dan fazla olan, esnek EMTE'lerin birkaç prototipini sergiledik ve 1.5 x 10 4'e kadar çok yüksek değerlere (FoM) yol açtı. Bu, en iyi değerler arasındadır. Yayınlanmış edebiyat.
Introduction
Dünya çapında, esnek / gerilebilir TE'lerin imal edilmesi için gelecekte esnek / esnek olarak kullanılmak üzere, indiyum kalay oksit ve flor katkılı kalay oksit (FTO) filmleri gibi katı şeffaf iletken oksitler (TCO'lar) için yer değiştirmeleri aramak için çalışmalar sürdürülmektedir. Gerilebilir optoelektronik cihazlar 1 . Bu yeni imalat yöntemleri ile yeni malzemeler gerektirir.
Grafen 2 , iletken polimerler 3 , 4 , karbon nanotüpleri 5 ve rasgele metal nanotel ağları 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 gibi nanomalzemeler incelenmiş ve bunların esnek TE'lerdeki yeteneklerini göstermiş ve Mevcut TCO tabanlı TE'ler, Filmin kırılganlığı 12 , düşük kızıl ötesi transmitans 13 ve düşük bolluk 14 dahil . Bu potansiyeli bile olsa, sürekli bükülme altında bozulma olmadan yüksek elektriksel ve optik iletkenlik elde etmek zor.
Bu çerçevede, normal metal kafesler 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 umut verici bir aday olarak gelişmekte ve isteğe bağlı olarak ayarlanabilen oldukça yüksek optik şeffaflık ve düşük sac direnci sağlamışlardır. Bununla birlikte, metal kafes tabanlı TE'lerin yaygın kullanımı birçok zorluk yüzünden engellenmiştir. Birincisi, imalat sıklıkla metallerin pahalı, vakum bazlı çökelmesini içerir 16 , 17 , 18 , 21 . İkincisi, kalınlık, ince film organik optoelektronik cihazlarda elektrikli kısa devre 22 , 23 , 24 , 25'e neden olabilir. Üçüncüsü, alt tabaka yüzeyi ile zayıf yapışma zayıf esneklikle sonuçlanır 26 , 27 . Yukarıda belirtilen kısıtlamalar yeni metal örgü tabanlı TE yapıları ve bunların imalatı için ölçeklenebilir yaklaşımlar için bir talep yarattı.
Bu çalışmada, bir polimer filmde tamamen gömülü bir metal örgü içeren esnek TE'lerin yeni bir yapısı bildirilmektedir. Litografi, elektrodepozisyon ve baskı transferini birleştiren, yenilikçi, çözüm tabanlı ve düşük maliyetli imalat yaklaşımı da açıklanmaktadır. Örnek EMTE'de 15k'ye kadar FoM değerleri elde edilmiştir. Gömülü doğası gereğiEMTE, dikkat çekici kimyasal, mekanik ve çevresel stabilite gözlemlendi. Ayrıca, bu çalışmada oluşturulan çözüm ile işlenmiş üretim tekniği, önerilen EMTE'lerin düşük maliyetli ve yüksek üretim kapasiteli üretimi için potansiyel olarak kullanılabilir. Bu üretim tekniği, daha ince metal örgü çizgi genişliklerine, daha geniş alanlara ve çeşitli metallere ölçeklenebilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
DİKKAT: Lütfen elektron ışını güvenliğine dikkat edin. Lütfen doğru koruyucu gözlük ve kıyafetleri giyiniz. Ayrıca, tüm yanıcı çözücü ve çözeltileri dikkatle kullanın.
1. EMTE'nin fotolitografi tabanlı imalatı
- Örgü deseninin imalatı için fotolitografi.
- Pamuklu çubuk kullanılarak sıvı deterjanlı FTO cam zeminlerini (3 cm x 3 cm) temizleyin. Temiz bir pamuklu çubukla iyondan arındırılmış (DI) su ile iyice yıkayın. Sıkıştırılmış hava ile kurutmadan önce 30 saniye süreyle izopropil alkol (IPA) içinde ultra sonikasyon (frekans = 40 kHz, sıcaklık = 25 ° C) kullanarak daha da temizleyin.
DİKKAT: Sıkıştırılmış havayı dikkatle kullanın. - 1.8 μm kalınlıkta, tek biçimli film elde etmek için temizlenmiş FTO cam üzerinde 4.000 rpm'de 60 saniye (2 cm yarıçaplı numuneler için yaklaşık 350 xg) 100 uL folyo sıkıştırın.
- 50 saniye süreyle bir ısı plakasında fotorezist filmi fırında pişirin.100 ° C.
- 20 mJ / cm2'lik bir doz için bir UV maske hizalayıcı kullanarak filigran filmi örgü desenli (3 μm çizgi genişliği, 50 μm adım) bir fotomask ile maruz bırakın.
- Numuneyi, 50 saniye süreyle geliştirici çözeltiye batırarak foto rezistansı geliştirin.
- Numuneyi su ile durulayın ve sıkıştırılmış hava ile kurutun.
DİKKAT: Sıkıştırılmış havayı dikkatle kullanın.
- Pamuklu çubuk kullanılarak sıvı deterjanlı FTO cam zeminlerini (3 cm x 3 cm) temizleyin. Temiz bir pamuklu çubukla iyondan arındırılmış (DI) su ile iyice yıkayın. Sıkıştırılmış hava ile kurutmadan önce 30 saniye süreyle izopropil alkol (IPA) içinde ultra sonikasyon (frekans = 40 kHz, sıcaklık = 25 ° C) kullanarak daha da temizleyin.
- Metallerin elektrodepozisyonu.
- 250 mL'lik bir beher içine 100 mL bakır sulu kaplama çözeltisi dökün.
NOT: EMTE'lerin ilgili metallerle imalatı için diğer sulu kaplama çözeltileri ( örneğin gümüş, altın, nikel ve çinko) kullanılabilir.
DİKKAT: Kimyasal güvenliği göz önünde bulundurun. - Fotorezistiğe kaplı FTO camını iki elektrodlu elektrodepozisyon tertibinin negatif ucuna bağlayın ve çalışma elektrodu olarak kaplama solüsyonuna daldırın.
- Bakır metal çubuğu bağlayınKarşı elektrot olarak iki elektrodlu elektrot yerleştirme düzeneğinin pozitif ucuna bağlayın.
- Bir voltaj / akım kaynağı ve ölçüm cihazı ( örn. Sourcemeter) kullanarak metali yaklaşık 1,5 um kalınlığa kadar çöktürmek için 15 dakika süreyle sabit 5 mA akım (akım yoğunluğu: ~ 3 mA / cm2) tedarik edin.
- Foto rezistansla kaplı FTO cam örneğini DI su ile durulayın ve sıkıştırılmış hava ile kurutun.
DİKKAT: Sıkıştırılmış havayı dikkatle kullanın. - FTO cam üzerine çıplak metal örgü ile fotorezist filmi çözmek için, fotorezist kaplı FTO cam örneği aseton içinde 5 dakika yerleştirin.
- 250 mL'lik bir beher içine 100 mL bakır sulu kaplama çözeltisi dökün.
- Metal örgü esnek alt tabakaya termal imprint transferidir.
- Metal örgü kaplı FTO cam örneğini, termal yazıcıyla elektrikle ısıtılan plakalara yerleştirin ve yüzeye 100 μm kalınlığa sahip esnek siklik olefin kopolimer (COC) filmi yerleştirin; örn.Metal örgü tarafı.
- Isıtmalı presin plakalarını 100 ° C'ye ısıtın.
- 15 MPa baskı basıncını uygulayın ve 5 dakika boyunca tutun.
DİKKAT: Isıttığı basıncı kullanırken güvenliği göz önünde bulundurun.
NOT: Baskı aktarımı daha düşük bir basınçta yapılabilir; Burada bildirilen basınç değeri (15 MPa) nispeten yüksektir. Bu yüksek basınç, metal örgünün tamamen COC film içine gömülmesini sağlamak için kullanıldı. - Isıtmı levhaları 40 ° C'lik kalıptan ayırma sıcaklığına soğutun.
- Baskı basıncını serbest bırakın.
- Metal örgü tamamen COC film içine gömülmüş olarak, FTO camdan COC filmi soyun.
2. Alt-mikron EMTE'lerin üretimi
- Elektron ışını litografi (EBL) kullanılarak alt mikron EMTE'lerin üretimi.
- Spincoat Temizlenmiş FTO camı üzerinde 60 sa süreyle 100 μL polimetil metakrilat (PMMA) solüsyonu (15k MW, anasonda ağırlıkça% 4)T 2.500 rpm (yaklaşık 2x yarıçaplı numuneler için 140 xg) ile 150 nm kalınlığında, tek biçimli film elde edilmiştir.
- PMMA filmi 170 ° C'de 30 dakika boyunca bir ocak gözünde pişirin.
- EBL sistemini açın ve bir desen üreteci 29 kullanarak örgü modelini (400 nm çizgi genişliği, 5 μm adım) tasarlayın.
- Örneği, desen üretecine bağlı bir tarama elektron mikroskopu içine yerleştirin ve yazma işlemini 29 gerçekleştirin .
- 1: 3 oranında metil izopropil keton ve izopropanol karışımı içinde 60 saniye boyunca direnç geliştirin.
- Numuneyi su ile durulayın ve sıkıştırılmış hava ile kurutun.
DİKKAT: Sıkıştırılmış havayı dikkatle kullanın. - Orta boy bir behere 100 mL bakır sulu kaplama solüsyonu yerleştirin.
NOT: EMTE'lerin ilgili metallerle imalatı için diğer sulu kaplama çözeltileri ( örn. Gümüş, altın, nikel ve çinko kaplama çözeltileri) kullanılmalıdır. <</ Li> - PMMA kaplı FTO camı, iki elektrotlu elektrodepozisyon tertibatının negatif ucuna tutturun, çalışma elektrodu olarak kaplama çözeltisine daldırın ve devreyi tamamlamak için bakır metal çubuğu pozitif terminaline bağlayın.
NOT: İlgili metal elektrot konumları için diğer metal çubuklar ( örneğin, gümüş, altın, nikel ve çinko) kullanılmalıdır. - Yaklaşık 200 nm kalınlığa metal yatırmak için 2 dakika boyunca örgü desen bölgesine yaklaşık 3 mA / cm2 akım yoğunluğuna tekabül eden uygun bir akım uygulayın (gerçek kalınlık SEM veya AFM ile belirlenmelidir).
- Numuneyi DI su ile dikkatli bir şekilde yıkayın ve PMMA filmini çözmek için 5 dakika aseton koyun.
- Metal örgülü FTO cam örneğini termal imprintörün elektrikle ısıtılmış plakalarına koyun ve numunenin üzerine bir COC film (100 μm kalınlık) koyun.
- Plakaları 100 ° C'ye ısıtın, 15MPa baskı basıncı ve 5 dakika boyunca tutun.
- Isıtmı levhaları 40 ° C'lik kalıptan ayırma sıcaklığına soğutun ve baskı basıncını boşaltın.
- COC filmini tamamen COC film içine gömülmüş sub-mikron metal örgüyle birlikte FTO camından soyun.
3. EMTE'lerin Performans Ölçümleri
- Levha direnci ölçümü.
- Kare numunenin iki zıt kenarına gümüş macunu yayın ve kuruyana kadar bekleyin.
- Direnç ölçüm cihazının dört sondasını cihaz talimatlarını izleyerek gümüş renkli pedlere dikkatlice yerleştirin.
- Güç kaynağı / ölçüm cihazının direnç ölçüm moduna geçin ve değeri ekranda kaydedin.
- Optik iletim ölçümü.
- UV-Vis ölçüm ayarlarını açın ve spektrometreyi kalibre edin (diğer bir deyişle, okumaları zekayla ilişkilendirinHa standart örnek, cihazın doğruluğunu kontrol etmek için).
- EMTE örneğini spektrometre numune tutucusuna yerleştirin ve optik yönü doğru bir şekilde hizalayın.
- Spektrometreyi% 100 transmitans için ayarlayın.
NOT: Burada sunulan tüm transmittans değerleri, çıplak COC film substratıyla mutlak transmitans için normalize edilmiştir. - Numunenin transmitansını ölçün.
- Ölçümü kaydedin ve kurulumdan çıkın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Şekil 1 , EMTE örneklerinin şematik ve üretim akış şemasını göstermektedir. Şekil 1a'da gösterildiği gibi, EMTE, bir polimer filmde tamamen gömülü bir metal örgüden oluşur. Izgaranın üst yüzü alt tabaka ile aynı seviyededir ve daha sonraki cihaz üretimi için genellikle düz bir platform gösterir. Üretim tekniği Şekil 1b - e'de şematik olarak açıklanmaktadır. Bir FTO cam substrat üzerinde bir fotorezist film döndürdükten sonra fotolitografi, filenin UV ışığa maruz bırakılması ve gelişmesi ( Şekil 1b ) ile örgü örüntüsü oluşturmak için kullanıldı ve camın iletken yüzeyini açmada ortaya çıkardı. Sonraki aşamada, ilgili metal düzenli olarak metal bir ağ oluşturacak şekilde açmalarını dolduran elektrodağıştırma ile açmaların içinde büyütülür ( Şekil 1c Şekil 1d ). Daha sonra, numunenin üzerine bir polimer film yerleştirilir ve cam geçiş sıcaklığından daha yüksek bir sıcaklığa ısıtılır. Metal örgü, yumuşak bir polimer filmin içine düzgün bir basınç uygulayarak itilir ( Şekil 1e ). Son olarak, istifi oda sıcaklığına soğutarak ve polimer filmi iletken camdan soyarak, metal örgü tamamen gömülü biçimde plastik filme aktarılır ( Şekil 1f ). Tüm üretim prosedürü, özüm tabanlıdır ve bir ortam atmosferinde uygulanır; Bu nedenle, seri üretime kolayca uyarlanabilir.
Şekil 2 , atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve taramalı elektron mikroskopisi (SEM) imaLEIT işleminin farklı imalat aşamalardaki EMTE morfolojisinden yararlanır. Şekil 2a , fotolitografiyle yapılan fotoresist filmdeki açma görüntülerini göstermektedir. Bu spesifik örnekte, foto rezistan hendek genişliği yaklaşık 4 μm iken derinlik yaklaşık 2 μm'dir. Şekil 2b , FTO cam üzerinde elektroliz kaplı bakır örgüyü göstermektedir. Sonuçlardan anlaşılacağı üzere, bakır örgü sırasıyla yaklaşık 1.8 ve 4 um çizgi genişliğinde bir kalınlığa ve çizgiye sahiptir. Şekil 2c , bir COC filmi 28 üzerinde aktarılan bakır örgüyü gösterir. AFM görüntüleri, başarıyla tamamlanmış EMTE'nin (1.8 μm kalınlık) yüzey pürüzlülüğünün 50 nm'den düşük olduğunu teyit eder ve gömülü konfigürasyonunu teyit eder. LEIT yöntemi, farklı kalınlıklarda bakır EMTE'leri yapmak için elektrokimyasal zamanı değiştirerek incelenebilir. Metal kalınlığı ve elektrot yerleştirme zamanı korelasyonu preseŞekil 2d'de gösterilen eğri, metal kalınlığının elektrokimyasal zamana bağlı olarak doğrusal olmayan bir şekilde değiştiğini ortaya koymaktadır. Bunun nedeni, daha dar bir tabana, daha geniş bir üste sahip olan fotorezist hendekte ( Şekil 2a ) dikdörtgen olmayan enine kesit olmasıdır. Böylece, elektrodepozisyon sırasında (sabit akım) metal kalınlığının büyüme oranı zamanla azalır. Dolayısıyla, örgü daha yüksek kısımda daha geniş bir genişliğe sahiptir ve plastik filmde mekanik olarak sabitlenebileceğinden, baskı transferinde avantajlıdır.
Şekil 3a- c , boyutsal ölçeklenebilirliğini doğrulamak için LEIT sürecinin çeşitli adımlarında EBL desenli EMTE imalatının yapısal karakterizasyonunu göstermektedir. Şekil 3a , trenin AFM ve SEM görüntülerini göstermektedirEBM vasıtasıyla PMMA filminde yapılmış satrançlar. Hendek derinliği ve genişliği sırasıyla 150 ve 400 nm civarındadır. Şekil 3b , FTO cam üzerinde elektrolitik olarak bakır örgü göstermektedir ve Şekil 3c , bir COC film üzerine imprint-transfer bakır örgü sunmaktadır. COC substrat üzerindeki metal örgü tamamen gömülü biçimde olup, plastik alt tabaka ile güçlü yapışma ve stabilite sağlar.
Şekil 4a , 300-850 nm dalga boyu aralığında 600 nm, 1 um ve 2 um kalınlıklarındaki bakır EMTE'lerin transmitansını göstermektedir. Metal örgü kalınlığı 600 nm'den 2 um'ye çıkarıldığında, yalnızca az miktarda bir transmittans azalması tespit edildi ve bu düşüş, fotorezisteki açmanın dikdörtgen olmayan profiline ve metal aşırı kaplamaya atfedildi. Öte yandan EMTE'lerin sac direnci, metal kalınlığıŞekil 4b'de gösterildiği gibi artar. Bakır EMTE için 2 μm kalınlığa sahip, optik transmitans hala% 70'in üzerinde, 0,07 Ω / sq'lık olağanüstü düşük sac direnci kaydedildi.
Şekil 4b , TE'lerin performansını karşılaştırmak için yaygın olarak kullanılan bir FoM olan elektriksel iletkenlik oranını optik iletkenliğe (σ dc / σ opt ) göre gösterir. Şekil 4b'de gösterilen FoM değerleri, bu çalışmada yapılan çeşitli EMTE'ler için aşağıdaki yaygın olarak kullanılan 4 , 7 , 17 , 18 nolu ifadeleri uygulayarak hesaplanmıştır: 
Burada R s levha direncidir ve T 550 nm dalga üzerindeki optik transmitanstıruzunluğu. Şekil 4b'deki yerleştirme, FoM ve metal kalınlığı arasındaki ilişkiyi gösterir. Verilen çizelge, metal kalınlığının, tabaka direnci üzerinde önemli bir etkisi olduğunu ve bu nedenle, daha fazla bir iletkenliği kaybetmeden daha kalın bir metal kafesin iletkenliğini arttırarak FoM değerinde olduğunu ortaya koymaktadır. EMTE prototipleri, 1.5 x'den daha yüksek FoM değerlerine ulaşmıştır 10 4 , ki bunlar literatürde bildirilen en iyi değerler arasındadır.
Şekil 5a , sırasıyla bir hatve, çizgi genişliği ve 150, 4 ve 1 um kalınlığa sahip, yüksek saydam bakır EMTE'nin COC filmi (5 x 5 cm2) üzerindeki sac direncini ve UV-Vis spektrumlarını göstermektedir; EMTE yapımızın ve LEIT üretim stratejimizin toplam boyutu. Nispeten geniş zift nedeniyle örnek daha yüksek optik transmitans (% 94) gösterirken, mDaha düşük bir levha direnci (0.93 Ω / sq) kazandırır. Benzer şekilde, EMTE'nin ana geometrik karakteristiklerini ayarlayarak farklı cihazlar için çok sayıda levha direnci ve optik transmitans aralığı elde edilebilir.
Şekil 5b , EMTE ile malzemenin seçiminde çok yönlülüğü göstermek için gümüş, altın, nikel ve çinko dahil olmak üzere çeşitli metallerin EMTE'lerinin levha direnci ve optik transmitans spektrumlarını göstermektedir. İletkenlik spektrumu, görünür tüm alanlarda neredeyse düz ve özelliksizdir ve bu da görüntüleme aygıtları ve güneş pilleri uygulamaları için faydalıdır. Çinko, gümüş ve nikel bazlı EMTE'lerin kıyaslanabilir metal kalınlıkları vardır, bu nedenle, tüm numunelerin sırasıyla yaklaşık olarak benzer transmitanslar (neredeyse% 78) bulunurken, tabaka dirençleri sırasıyla 1.02, 0.52 ve 1.40 Ω / sq'dir. Farklı metal kalınlıkları nedeniyle altın ve bakır bazlı EMTE'ler (yaklaşık 2 μm ve 6 μm00 nm) sırasıyla 0.20 ve 0.70 Ω / sq'lik levha dirençlerine ve% 72 ve% 82'lik transmitanslara sahiptir. Bu EMTE'lerin başarılı bir şekilde üretilmesi malzeme çeşitliliğini doğruladı ve bu nedenle çeşitli cihazlarda iletkenin kimyasal uyumluluğu ve çalışma fonksiyonu için çeşitli gereksinimleri karşıladı.
Şekil 6a ve b , levha direncini 3, 4 ve 5 mm yarıçaplarındaki sıkıştırma ve gerilme yükleri için eğme çevrimleri ile ilişkilendirerek EMTE'lerimizin üstün esnekliğini sunar. Şekil 6a'da gösterilen sonuçlar, 4 ve 5 mm yarıçaplı sıkıştırmalı bükme için 1.000 bükülme için levha direncinde bariz bir değişme (0.07 Ω / sq) oluşmadığını göstermektedir. Ayrıca, sacın direncindeki değişim, 3 mm bükülme yarıçapı için başlangıç değerinin% 100'ü (0.07 Ω / sq'dan 0.13 Ω / sq'ye) arasındadır. Benzer şekilde, çekme için bBükülme döngülerine karşı levha direncindeki değişiklikler Şekil 6b'de gösterilmiş olup, 1.000 döngü için 3, 4 ve 5 mm yarıçaplarında, tabaka direnci sırasıyla yaklaşık% 350,% 150 ve% 30 oranında değişmiştir. Şekil 6c , DI suya ve IPA'ya batırıldıktan ve sıcak ve nemli bir atmosfere (60 ° C,% 85 bağıl nem) maruz bırakıldıktan sonra bakır EMTE'lerin çevresel stabilitesini göstermektedir. Sonuçlardan, 24 saat sonra EMTE'lerin morfolojik yapıları ve sac dirençlerinin etkilenmediği açıktır.
Şekil 1: EMTE Yapısı ve LEIT Üretim Prosedürünün Şematik Diyagramları. ( A ) Şeffaf bir plastik film içine gömülü bir metal örgülü bir EMTE. ( B ) Bir reside yapılan örgü desenleriSt film, litografi kullanarak iletken bir cam substrat üzerine katmanlanmıştır. ( C ) Düzgün bir metal örgü imal etmek için direncin siperlerinin içine elektrot yerleştirilmesi. ( D ) Çıplak metal örgü elde etmek için direnci eritmek. ( E ) Metal örgüyü plastik bir filme ısıtın ve bastırın. ( F ) Plastik filmin ve metal kafesin tamamen gömülü bir biçimde ayrılması. Bu rakam referans 29'dan değiştirildi. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 2: Prototip 50 μm çaplı Bakır EMTE'lerin imalatı. ( A - c ) SEM (solda, yerleştirilmiş görüntüyü gösteren yerleştirme ile) ve AFM (Sağ) karakterizasyonları: ( a ) Fotorezistteki örgü örüntüsü. ( B ) Foto camı çözdükten sonra FTO camında bakır örgü. ( C ) Bakır örgü tamamen bir COC alt tabakasına gömülmüştür. ( D ) Elektro manyetik alan yoğunluğunda (3 mA / cm 2 ) metal kalınlığı ile elektrot yerleştirme zamanı arasındaki ilişki. Baskı transferinden sonraki başarısız ve başarılı vakalar sırasıyla kırmızı ve siyah renklerle gösterilir. Bu rakam referans 29'dan değiştirilmiştir. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 3: P'nin SEM (sol) ve AFM (sağ) KarakterizasyonlarıLEIT'nin Çeşitli Aşamalarında rototip Alt mikrometre çizgi genişliği EMTE. ( A ) EBM kullanılarak bir PMMA filmde yapılmış nanomesh desenleri. ( B ) PMMA filmi çözdükten sonra FTO camında bakır nanomeşim. ( C ) Tamamen bir COC substrat içine gömülü olan bakır nanomayz. Bu rakam referans 29'dan değiştirildi. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 4: Prototip 50 μm-pitch Bakır EMTE'lerin Performans Karakterizasyonu. ( A ) Tipik bakır EMTE'lerin optik spektrumu. Başlangıç: esnek bakır EMTE'nin optik görüntüsü. ( B ) Bakır EMTE'ler için transmitans ve levha direnci arasındaki ilişki Çeşitli örgü kalınlıklarında; Karşılık gelen FoM değerleri içe doğru görüntülenir. Bu rakam referans 29'dan değiştirildi. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 5: Boyutlandırılabilir Ölçeklenebilirlik ve Bakır EMTE'lerin Malzeme Çok yönlülüğü. ( A ) Büyük bir COC substratında (5 x 5 cm2) 150 μm'lik bir adıma sahip yüksek şeffaf bir bakır EMTE'nin levha direnci ve optik spektrumu. Başlangıç: geniş alan EMTE'nin optik görüntüsü. ( B ) Farklı metallerden yapılmış 50 μm'lik EMTE'lerin levha dirençleri ve optik spektrumları. Bu rakam referans 29'dan değiştirildi.P_upload / 56019 / 56019fig5large.jpg "target =" _ blank "> Bu figürde daha büyük bir versiyon görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 6: Bakır EMTE'lerin Mekanik ve Çevresel Kararlılığı. ( A ) Tekrarlanan basınç bükme çevrimleri ile sac direncindeki değişim eğrisi. ( B ) Tekrarlayan gerilme eğilme çevrimleri ile tabaka direncindeki değişiklik eğrisi. ( C ) Çevresel ve kimyasal testlerde sac direncindeki değişiklikler. Başlangıç: Testlerden sonra SEM resimleri. Bu rakam referans 29'dan değiştirildi. Bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Üretim yöntemimiz, numunenin özellik boyutlarının ve alanlarının ölçeklenebilirliği ve çeşitli materyallerin kullanımı için daha da modifiye edilebilir. EBL'yi kullanarak alt mikrometre çizgi genişliğinde ( Şekil 3a-3c ) bakır EMTE'lerin başarıyla üretilmesi, LEED üretiminde, elektrod kaplama ve baskı aktarımı da dahil olmak üzere EMTE yapısının ve kilit basamaklarının güvenilir bir şekilde bir alt mikrometre aralığına ölçeklendirilebileceğini kanıtlıyor. Benzer şekilde, faz kayması fotolitografi 30 , nanoimprint litografi 31 ve yüklü-parçacık kirişli litografi 32 gibi diğer geniş alanlı litografi işlemleri de, direnç filminde yüksek çözünürlüklü modeller oluşturmak için kullanılabilir. Gösterimizde kullanılan elektrodepozisyon prosesi, laboratuar ölçekli bir kurulum üzerine kurulmuştur. Bununla birlikte, yöntemimiz üretim için endüstriyel ölçekli, büyük hacimli elektroliz banyosuna kolaylıkla değiştirilebilir. KullandıkGösteri sırasında mal imprint transferi, ancak ultraviolet veya diğer yollarla iyileştirilebilen diğer materyaller de transfer sürecine uygulanabilir.
Yöntemimizi uygularken bazı sorunlar ortaya çıkabilir. Metal örgü kalınlığı ve geometrik profili EMTE'lerin tutarlı LEIT üretimi için kritik öneme sahiptir. Şekil 2d'de gösterilen eğri, transferlerin yalnızca daha kalın kafesler ( yani, 500 nm'den daha kalın bir kalınlık) için başarılı olduğunu ortaya koymaktadır. Başarısız transferlerin nedeni COC filmin üst yüzeyindeki ve yan metal metallerin yanal olarak uygulanan tutma kuvvetinin metal ile FTO camı arasındaki yapışma kuvvetini karşılayamadığıdır.
Mevcut yöntemimiz için sınırlamalar var. LEIT, EMTE'lerin üretimi için elektrokaplama işlemi ile vakum bazlı metal birikiminin değiştirilmesi için uygun maliyetli bir yaklaşım olsa da, zorunlu litograHer örnek hazırlanırken adım atın. Bu, yüksek verimli ve geniş hacimli endüstriyel üretim için uygunluğunu sınırlar. Gelecekteki çalışmalarımız bu önemli konuyu ele almaya odaklanacaktır.
Daha düşük bir maliyet ve daha yüksek performanslı üretim stratejisi ile daha iyi performans ile EMTE, organik güneş pilleri 33 , organik ışık yayan diyotlar 34 , organik ince film transistörler 35 , esnek Şeffaf dokunmatik paneller 10 , vb . Dahası, örgü, suni deride, gerilebilir alt tabakalara aktarılarak kullanılabilir. Şu anda, gerilebilir elektronik cihazlardaki uygunluğunu araştırıyoruz. Gerçekten de, bu tür uygulamalarda performansı umut vericidir.
Özetle, metal örgünün mekanik olarak bir polimer filmde demirlendiği yeni EMTE'leri sunuyoruz. ComparMevcut metal örgü elektrotlarına göre, bu EMTE yapısının en önemli avantajı, yüzey düzgünlüğünü kaybetmeden yüksek elektrik iletkenliği için kalın bir metal örgü kullanmasıdır. EMTE'ler, literatürde bildirilen TE'lerin en yükseklerinden biri olan, elektrikten optik iletkenlik oranını 10 4'ün üstünde bir seviyeye çıkaracak şekilde imal edilmiştir. Dahası, gömülü yapı, ortam atmosferinde EMTE'lerin kimyasal stabilitesini ve bükülme stresindeki mekanik stabiliteyi arttırır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma kısmen Hong Kong Özel İdari Bölgesinin Araştırma Hibeleri Konseyi (Ödül No. 17246116), Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı Genç Bilim Akademisi Programı (61306123), Temel Araştırma Programı- Shenzhen Belediyesinin Bilim ve Teknoloji Yenilik Komisyonu Genel Programı (JCYJ20140903112959959) ve Zhejiang Eyalet Bilim ve Teknoloji Dairesi (2017C01058) Anahtar Araştırma ve Geliştirme Programı. Yazarlar Y.-T.'ye teşekkür etmek istiyorlar. Huang ve SP Feng, optik ölçümlerle ilgili yardımlarından dolayı.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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).
