Summary
Denne protokol beskriver en løsningsbaseret fabrikationsstrategi for højtydende, fleksible transparente elektroder med fuldt indlejret tykt metalnet. Fleksible transparente elektroder fremstillet ved denne proces demonstrerer blandt de højest rapporterede præstationer, herunder ultra-lavt arkmodstand, høj optisk transmittans, mekanisk stabilitet under bøjning, stærkt substratvidhæsning, overfladeglathed og miljøstabilitet.
Abstract
Her rapporterer forfatterne den indlejrede metal-mesh gennemsigtige elektrode (EMTE), en ny transparent elektrode (TE) med et metalnet helt indlejret i en polymerfilm. Dette papir præsenterer også en billig, vakuumfri fremstillingsmetode til denne nye TE; Tilgangen kombinerer lithografi, elektroplating og imprint transfer (LEIT) behandling. EMTE'ernes indlejrede karakter giver mange fordele, såsom høj overfladeglathed, hvilket er afgørende for økologisk elektronisk enhedsproduktion; Overlegen mekanisk stabilitet under bøjning; God resistens overfor kemikalier og fugt Og stærk vedhæftning med plastikfilm. LEIT-fabrikation har en elektropletteringsproces til vakuumfri metalaflejring og er gunstig til industriel masseproduktion. Desuden giver LEIT mulighed for fremstilling af metalnet med et højt billedforhold ( dvs. tykkelse til linjebredde), hvilket signifikant forbedrer dets elektriske ledningsevne uden negativt at miste optisk transmittance. Vi demonstrerer flere prototyper af fleksible EMTE'er, med arkresistens lavere end 1 Ω / kvadrat og overførsler større end 90%, hvilket resulterer i meget høje værdimængder (FoM) - op til 1,5 x 10 4 - der er blandt de bedste værdier i Offentliggjort litteratur.
Introduction
På verdensplan gennemføres der undersøgelser for at finde udskiftninger til stive transparente ledende oxider (TCO'er), såsom indiumtinoxid og fluor-doteret tinoxid (FTO) fi lms, for at fremstille fleksible / strækbare TE'er, der skal anvendes i fremtidige fleksible / Strækbare optoelektroniske enheder 1 . Dette nødvendiggør nye materialer med nye fremstillingsmetoder.
Nanomaterialer, såsom grafen 2 , ledende polymerer 3 , 4 , carbon nanorør 5 og tilfældige metal nanowire netværk 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , er blevet undersøgt og har demonstreret deres evner i fleksible TE'er med henblik på at afhjælpe manglerne ved Eksisterende TCO-baserede TE'er, Inklusiv fimm sårbarhed 12 , lav infrarød transmittans 13 og lav overflod 14 . Selv med dette potentiale er det stadig udfordrende at opnå høj elektrisk og optisk konduktans uden forringelse under kontinuerlig bøjning.
I denne ramme udvikler almindelige metalmasker 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 som en lovende kandidat og har opnået bemærkelsesværdigt høj optisk gennemsigtighed og lavt arkmodstand, der kan indstilles efter behov. Den omfattende anvendelse af metalbaserede TE'er er dog blevet forhindret på grund af mange udfordringer. For det første involverer fremstilling ofte den dyre, vakuumbaserede afsætning af metaller 16 , 17 , 18 , 21 . For det andet kan tykkelsen let forårsage elektrisk kortslutning 22 , 23 , 24 , 25 i tyndfilm organiske optoelektroniske indretninger. For det tredje resulterer den svage adhæsion med substratoverfladen i dårlig fleksibilitet 26 , 27 . De ovennævnte begrænsninger har skabt en efterspørgsel efter nye metalnetbaserede TE strukturer og skalerbare fremgangsmåder til deres fremstilling.
I denne undersøgelse rapporterer vi en ny struktur af fleksible TE'er, der indeholder et metalnet helt indlejret i en polymerfilm. Vi beskriver også en innovativ, løsningsbaseret og billig produktionsmetode, som kombinerer lithografi, elektrodeposition og overførsel af tryk. FoM-værdier så høje som 15k er opnået på prøve EMTE'er. På grund af den indlejrede karakter afEMTE'er, bemærkelsesværdig kemisk, mekanisk og miljømæssig stabilitet blev observeret. Desuden kan den opløsningsbehandlede fabrikationsteknik, der er etableret i dette arbejde, potentielt anvendes til den lave pris og højproduktion af de foreslåede EMTE'er. Denne fabrikationsteknik er skalerbar til finere metal-mesh linewidths, større områder og en række metaller.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
FORSIGTIG: Vær opmærksom på elektronstrålesikkerhed. Brug venligst de rigtige beskyttelsesbriller og tøj. Håndter også alle brændbare opløsningsmidler og opløsninger omhyggeligt.
1. Fotolitografi-baseret fremstilling af EMTE
- Fotolitografi til fremstilling af maskemønsteret.
- Rengør FTO-glasunderlag (3 cm x 3 cm) med flydende vaskemiddel ved hjælp af bomuldspindel. Skyl dem grundigt med deioniseret (DI) vand med en ren bomuldspindel. Yderligere rengør dem ved hjælp af ultraljudbehandling (frekvens = 40 kHz, temperatur = 25 ° C) i isopropylalkohol (IPA) i 30 s, før de tørres med trykluft.
FORSIGTIG: Håndter komprimeret luft forsigtigt. - Spincoat 100 μL af fotoresist på det rensede FTO glas i 60 s ved 4.000 omdr./min. (Ca. 350 xg for prøver med en 2 cm radius) for at opnå en 1,8 μm tyk, ensartet film.
- Bage fotoresistfilmen på en kogeplade i 50 s på100 ° C.
- Udsæt fotoresistfilmen gennem en fotomask med et maskemønstret (3 μm linjebredde, 50 μm tonehøjde) ved hjælp af en UV-maskindikator til en dosis på 20 mJ / cm 2 .
- Udvikle fotoresist ved at nedsænke prøven i udvikleropløsningen i 50 s.
- Skyl prøven i DI vand og tør det med trykluft.
FORSIGTIG: Håndter komprimeret luft forsigtigt.
- Rengør FTO-glasunderlag (3 cm x 3 cm) med flydende vaskemiddel ved hjælp af bomuldspindel. Skyl dem grundigt med deioniseret (DI) vand med en ren bomuldspindel. Yderligere rengør dem ved hjælp af ultraljudbehandling (frekvens = 40 kHz, temperatur = 25 ° C) i isopropylalkohol (IPA) i 30 s, før de tørres med trykluft.
- Elektrodeposition af metaller.
- Hæld 100 ml kobber vandig plating opløsning i et 250 ml bægerglas.
BEMÆRK: Andre vandige pletteringsopløsninger ( f.eks. Sølv, guld, nikkel og zink) kan anvendes til fremstilling af EMTE'er med de respektive metaller.
FORSIGTIG: Pas på kemikaliesikkerhed. - Tilslut det fotoresist-dækkede FTO-glas til den negative terminal i elektrodeopløsningen for to elektroder, og sænk den i pletteringsopløsningen som arbejdselektroden.
- Tilslut kobbermetalstangenTil den positive terminal af elektrodeopløsningen for to elektroder som tællerelektroden.
- Tilfør en konstant 5 mA strøm (strømtæthed: ~ 3 mA / cm 2 ) ved hjælp af et spændings- / strømforsynings- og måleinstrument ( f.eks. Sourcemeter) i 15 minutter for at deponere metalet til en tykkelse på ca. 1,5 μm.
- Skyl den fotoresistbelagte FTO-glasprøve grundigt med DI vand og tør det med trykluft.
FORSIGTIG: Håndter komprimeret luft forsigtigt. - Placer den fotoresist-belagte FTO-glasprøve i acetone i 5 minutter for at opløse fotoresistfilmen med det blotte metalnet på toppen af FTO-glasset.
- Hæld 100 ml kobber vandig plating opløsning i et 250 ml bægerglas.
- Termisk trykoverførsel af metalnet til det fleksible substrat.
- Placer den metalnet-dækkede FTO-glasprøve på de elektrisk opvarmede plader af den termiske imprinter og sæt en 100 μm tykk fleksibel cyklisk olefin-copolymer (COC) film oven på prøven, vendt modMetal mesh side.
- Varm pladerne fra den opvarmede tryk til 100 ° C.
- Påfør 15 MPa tryktryk og hold det i 5 minutter.
FORSIGTIG: Vær opmærksom på sikkerheden, når du bruger den opvarmede presse.
BEMÆRK: Imprintoverførslen kan foretages ved et lavere tryk; Den her angivne trykværdi (15 MPa) er forholdsvis høj. Dette højtryk blev brugt til at sikre, at metalnetværket var fuldt indlejret i COC-folien. - Afkøl de opvarmede plade til nedbrydningstemperaturen på 40 ° C.
- Slip tryktrykket.
- Afskal COC-filmen fra FTO-glasset, med metalnetet helt indlejret i COC-folien.
2. Fremstilling af sub-mikron EMTE'er
- Fremstilling af sub-mikron EMTE'er ved anvendelse af elektronstråle-lithografi (EBL).
- Spincoat 100 μL polymethylmethacrylat (PMMA) opløsning (15k MW, 4 vægt% i anisol) på det rensede FTO glas til 60 saT 2.500 omdr./min. (Ca. 140 xg for prøver med en radius på 2 cm) for at opnå en 150 nm tykk ensartet film.
- Bag PMMA-filmen på en kogeplade i 30 minutter ved 170 ° C.
- Tænd for EBL-systemet og konstruer maskemønstret (400 nm linjebredde, 5 μm tonehøjde) ved hjælp af en mønstergenerator 29 .
- Placer prøven i et scanningselektronmikroskop forbundet til mønstrationsgeneratoren og udfør skriveprocessen 29 .
- Udvikl resisten i 60 s i en blandet opløsning af methylisopropylketon og isopropanol i forholdet 1: 3.
- Skyl prøven med DI vand og tør det med trykluft.
FORSIGTIG: Håndter komprimeret luft forsigtigt. - Anbring 100 ml af den vandige platingopløsning i kobber i et mellemstore bægerglas.
BEMÆRK: Andre vandige pletteringsopløsninger ( fx sølv-, guld-, nikkel- og zinkpletteringsløsninger) bør anvendes til fremstilling af EMTE'er med de respektive metaller. </ Li> - Fastgør det PMMA-coatede FTO-glas til den negative terminal på elektrodeelektrodeplaceringsopsætningen, dip den i pletteringsopløsningen som arbejdselektroden, og forbind kobbermetalstangen til den positive terminal for at fuldføre kredsløbet.
BEMÆRK: Andre metaldele ( dvs. sølv, guld, nikkel og zink) bør anvendes til de respektive metalelektrodepositioner. - Anbring en passende strøm, der svarer til en strømtæthed på ca. 3 mA / cm 2 , til maskemønsterområdet i 2 minutter for at deponere metal til en tykkelse på ca. 200 nm (den faktiske tykkelse skal bestemmes af SEM eller AFM).
- Vask forsigtigt prøven med DI vand og læg det i acetone i 5 minutter for at opløse PMMA-folien.
- Sæt den metalnet-dækkede FTO-glasprøve på de elektrisk opvarmede plader af varmeprinteren, og læg en COC-film (100 μm-tykkelse) oven på prøven.
- Varm pladerne til 100 ° C, anbring en 15MPa tryktryk, og hold det i 5 min.
- Afkøl de opvarmede tallerkener til nedbrydningstemperaturen på 40 ° C og slip tryktrykket.
- Afskal COC-filmen fra FTO-glasset, sammen med thesub-micronmetalnet fuldstændigt indlejret i COC-folien.
3. Resultatmåling af EMTE'erne
- Arkmodstandsmåling.
- Spred sølvpasta på to modsatte kanter af kvadratprøven og vent, indtil den tørrer.
- Sæt forsigtigt de fire sonder på modstandsmåleren på sølvpuden i overensstemmelse med udstyrsinstruktionerne.
- Skift til modstandsmålemodus for strømkilde / måleinstrument og optag værdien på displayet.
- Optisk transmission måling.
- Tænd for UV-Vis måleopsætning og kalibrere spektrometeret ( dvs. korrelere aflæsningerne witHa standardprøve for at kontrollere instrumentets nøjagtighed).
- Placer EMTE-prøven på spektrometerprøveholderen, og juster den optiske retning korrekt.
- Juster spektrometeret for 100% transmittans.
BEMÆRK: Alle transmissionsværdier, der præsenteres her, normaliseres til den absolutte transmittans gennem det bare COC filmsubstrat. - Måle transmittansen af prøven.
- Gem målingen og log ud af opsætningen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 viser skematisk og fabrikationsdiagrammet for EMTE-prøverne. Som vist i figur 1a består EMTE af et metalnet fuldt indlejret i en polymerfilm. Maskets overflade er på samme niveau som underlaget, og viser en generelt glat platform til efterfølgende enhedsproduktion. Fabrikationsteknikken er skematisk forklaret i figur 1b - e . Efter spincoating en fotoresistfilm på et FTO-glassubstrat anvendes fotolitografi til at skabe maskemønstre i fotoresist ved UV-eksponering og udvikling ( figur 1b ), der afslører glasets ledende overflade i grøften. I det følgende trin dyrkes det respektive metal inde i skyttegraderne ved elektroafsætning, som fylder skyttegraden til dannelse af et almindeligt metalnet ( figur 1c figur 1d ). Dernæst placeres en polymerfilm på prøven og opvarmes til en temperatur, der er højere end dens glasovergangstemperatur. Metalnet bliver skubbet ind i den bløde polymerfilm ved anvendelse af et ensartet tryk ( figur 1e ). Endelig overføres metalnetet ved at afkøle stakken til stuetemperatur og afskalere polymerfilmen fra det ledende glas til plastfilmen i fuldt indlejret form ( figur 1f ). Hele fabrikationsproceduren er løsningsbaseret og implementeres i en omgivende atmosfære; Derfor kan den let tilpasses til masseproduktion.
Figur 2 viser atomkraftkraftmikroskopi (AFM) og scanningselektronmikroskopi (SEM) imaAf EMTE's morfologi ved forskellige fabrikationstrin i LEIT-processen. Figur 2a præsenterer grøntbillederne i fotoresistfilmen lavet af fotolitografi. I denne specifikke prøve er bredden af fotoresistgraven omkring 4 μm, mens dybden er næsten 2 μm. Figur 2b viser det galvaniserede kobbernet på FTO-glas. Som det fremgår af resultaterne, har kobbernetet en tykkelse og en linjebredde på henholdsvis ca. 1,8 og 4 μm. Figur 2c viser det overførte kobbernet på en COC-film 28 . AFM-billederne bekræfter, at overfladens ruhed af den opnåede EMTE (1,8 μm tykkelse) er lavere end 50 nm, hvilket bekræfter dets indlejrede konfiguration. LEIT-metoden kan undersøges yderligere ved at ændre elektrodepositionstiden for at gøre kobber EMTE'er af forskellig tykkelse. Korrelationen mellem metal tykkelse og elektrodepositionstid er preseAngivet i fig. 2d . Kurven vist i fig. 2d viser, at tykkelsen af metal ændres ikke-lineært med en stigning i elektrodepositionstid. Dette skyldes det ikke-rektangulære tværsnit af fotoresistgraven ( figur 2a ), som har en smalere bund, men en bredere top. Således falder væksthastigheden af metal tykkelse med tiden under elektrodeposition (konstant strøm). Derfor har masken en større bredde i den højere del, hvilket er fordelagtigt for overføringsoverførsel, da det kan mekanisk forankres i plastfilmen.
Figur 3a- c demonstrerer den strukturelle karakterisering af EBL-mønstret EMTE-fremstilling ved forskellige trin i LEIT-processen for at validere sin dimensionsskalerbarhed. Figur 3a viser AFM- og SEM-billederne af trenerenChes lavet i PMMA film via EBL. Grøftdybden og bredden er henholdsvis ca. 150 og 400 nm. Figur 3b viser kobbernet elektropletteret på FTO-glas, og figur 3c viser det aftryk-overførte kobbernet på en COC-film. Metalnet på COC-substratet er i fuldstændig indlejret form, hvilket giver stærk vedhæftning og stabilitet med plastsubstratet.
Figur 4a viser transmitteringen af kobber-EMTE'er på 600 nm, 1 μm og 2 μm tykkelser i bølgelængdeområdet på 300-850 nm. Når metalnettykkelsen steg fra 600 nm til 2 μm, blev der kun påvist en minimal reduktion i transmittansen, og denne dråbe er tilskrevet den ikke-rektangulære profil af grøften i fotoresistet og metaloverpladningen. På den anden side kan arkresistensen af EMTE'er reduceres signifikant, når metal tykkelsenØges som vist i figur 4b . Der er registreret en usædvanlig lav arkmodstand på 0,07 Ω / kvm for kobber-EMTE med en tykkelse på 2 μm, med den optiske transmittans stadig højere end 70%.
Figur 4b udviser forholdet mellem elektrisk ledningsevne og optisk konduktans (σ dc / σ opt ), en FoM, der almindeligvis anvendes til at sammenligne udførelsen af TE'er. FoM-værdierne vist i figur 4b blev beregnet for forskellige EMTE'er fremstillet i dette værk ved at anvende følgende almindeligt anvendte udtryk 4 , 7 , 17 , 18 : 
Hvor R s er arkmodstanden, og T er den optiske transmittans ved en 550 nm bølgelængde. Indgangen i figur 4b viser forholdet mellem FoM og metal tykkelsen. Det givne diagram viser, at tykkelsen af metallet har en betydelig indflydelse på arkmodstanden og dermed på værdien af FoM ved at forbedre ledningsevnen af et tykkere metalnet uden væsentligt at miste transmittansen. Prototypen EMTE'er opnåede FoM-værdier højere end 1,5 x 10 4 , som er blandt de bedste værdier, der er rapporteret i litteraturen.
Figur 5a demonstrerer arkmodstanden og UV-Vis-spektraerne af et højt gennemsigtigt kobber-EMTE på COC-film (5 x 5 cm2) med en tonehøjde, linjebredde og tykkelse på henholdsvis 150, 4 og 1 μm, der viser skalerbarheden af Den samlede størrelse af vores EMTE struktur og LEIT fabrikationsstrategi. På grund af den forholdsvis store tonehøjde viser prøven højere optisk transmittans (94%), mens mOpnåelse af en lavere arkresistens (0,93 Ω / sq). Tilsvarende kan talrige arrangementer af arkmodstand og optisk transmittans opnås for forskellige indretninger ved at justere de centrale geometriske egenskaber hos EMTE.
Figur 5b viser arkmodstanden og optiske transmittansspekteret af EMTE'er af forskellige metaller, herunder sølv, guld, nikkel og zink, for at demonstrere alsidigheden af materialevalg med vores EMTE. Transmissionsspektrene er næsten fladt og featurløse over hele det synlige område, hvilket er gavnligt for displayenheder og solcelleapplikationer. Zink-, sølv- og nikkelbaserede EMTE'er har sammenlignelige metaltykkelser, så alle prøver har omtrent tilsvarende overførsler (næsten 78%), mens arkresistenserne er henholdsvis 1,02, 0,52 og 1,40 Ω / sq. På grund af de forskellige metal tykkelser er guld- og kobberbaserede EMTE'er (næsten 2 μm og 600 nm) har arkresistens på henholdsvis 0,20 og 0,70 Ω / kvm og transmitteringer på henholdsvis 72% og 82%. Den succesfulde produktion af disse EMTE'er bekræftede materialets alsidighed og opfylder derfor forskellige krav til lederens kemiske kompatibilitet og arbejdsfunktion i forskellige enheder.
Figur 6a og b viser den overlegne fleksibilitet hos vores EMTE'er ved at korrelere arkmodstanden med bøjningscykluserne for tryk- og trækbelastninger ved radius på 3, 4 og 5 mm. Resultaterne vist i figur 6a viser, at der ikke forekommer åbenlyst variation i arkresistens (0,07 Ω / sq) for 1000 bøjninger ved trykbøjning med 4 og 5 mm radii. Variationen i arkmodstanden ligger også inden for 100% af den oprindelige værdi (fra 0,07 Ω / sq til 0,13 Ω / sq) for 3 mm bøjningsradius. Tilsvarende for træk bSlutningen er variationer i arkmodstandsdygtighed over for bøjningscykluserne vist i figur 6b , hvilket indikerer, at i 1.000 cyklusser med 3, 4 og 5 mm radii ændres arkmodstandene med henholdsvis næsten 350%, 150% og 30%. Figur 6c illustrerer den miljømæssige stabilitet af kobber-EMTE'erne efter nedsænkning i DI-vand og IPA og eksponering for en varm og fugtig atmosfære (60 ° C, 85% relativ luftfugtighed). Det fremgår klart af resultaterne, at efter 24 timer forbliver de morfologiske strukturer og arkresistancer hos EMTE'erne upåvirket.
Figur 1: Skematiske diagrammer af EMTE-strukturen og LEIT Fabrication Procedure. ( A ) Et EMTE med et metalnet indlejret i en gennemsigtig plastfilm. ( B ) Mesh mønstre lavet i en resiSt film lagret på et ledende glas substrat ved hjælp af litografi. ( C ) Elektrodeposition af metal inde i modstandens skyttegrav til fremstilling af et ensartet metalnet. ( D ) Opløsning af modstanden for at opnå baromet metal. ( E ) Opvarmning og presning af metalnet i en plastfilm. ( F ) Separation af plastfilmen og metalnetet i en fuldstændig indlejret form. Dette tal er blevet ændret fra reference 29 . Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Fremstilling af prototype 50 μm-pitch-kobber-EMTE'er. ( A - c ) SEM (venstre, med indsatsen, der viser det indzoomede billede) og AFM (Højre) karakteriseringer af en prøve EMTE i forskellige trin af LEIT: ( a ) Mesh mønster i fotoresist. ( B ) Kobbernet på FTO-glasset efter opløsning af fotoresisten. ( C ) Kobbernet fuldstændigt indlejret i et COC-substrat. ( D ) Forholdet mellem metal tykkelse og elektrodepositionstid ved konstant elektrodestillingsdensitet (3 mA / cm 2 ). Mislykkede og succesfulde tilfælde efter overførslen af overtryk er angivet med henholdsvis rød og sort farver. Dette tal er blevet ændret fra reference 29 . Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: SEM (venstre) og AFM (højre) Karakterisering af en PRototype Sub-mikrometer-linewidth EMTE på forskellige trin af LEIT. ( A ) Nanomesh mønstre fremstillet i en PMMA film ved anvendelse af EBL. ( B ) Kobber nanomesh på FTO glaset efter opløsning af PMMA film. ( C ) Kobber nanomesh fuldstændigt indlejret i et COC substrat. Dette tal er blevet ændret fra reference 29 . Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Ydeevne Karakterisering af Prototype 50 μm-pitch Kobber EMTEs. ( A ) Optiske spektre af de typiske kobber EMTE'er. Inset: Optisk billede af det fleksible kobber EMTE. ( B ) Forholdet mellem transmittans og arkresistens for kobber EMTE'er Af forskellige masketykkelser; De tilsvarende FoM værdier vises i indgangen. Dette tal er blevet ændret fra reference 29 . Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: Dimensionerbar skalerbarhed og materiel alsidighed af kobber-EMTE'erne. ( A ) Arkmodstand og optiske spektre af et højt transparent kobber EMTE med en hældning på 150 μm på et stort COC-substrat (5 x 5 cm 2 ). Inset: Optisk billede af det store område EMTE. ( B ) Arkmodstande og optiske spektre af EMU'er på 50 μm-pitch, fremstillet af forskellige metaller. Dette tal er blevet ændret fra reference 29 .P_upload / 56019 / 56019fig5large.jpg "target =" _ blank "> Venligst klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 6: Mekaniske og miljømæssige stabilitet af kobber-EMTE'erne. ( A ) Kurve for ændringer i arkmodstand med gentagne trykbøjningscykler. ( B ) Kurve for ændringer i arkmodstand med gentagne trækbøjningscykler. ( C ) Ændringer i arkresistens i de miljømæssige og kemiske test. Indhold: SEM billeder efter testene. Dette tal er blevet ændret fra reference 29 . Klik her for at se en større version af denne figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vores fabrikationsmetode kan ændres yderligere for at give mulighed for skalerbarhed af funktionsstørrelser og områder af prøven og til brug af forskellige materialer. Den vellykkede fremstilling af sub-micrometer-linewidth ( Figur 3a-3c ) kobber EMTE'er ved hjælp af EBL viser, at EMTE-struktur og nøgle trin i LEIT-fabrikation, herunder elektroplating og overførsel af overførsler, kan pålideligt nedskæres til et sub-mikrometerområde. Tilsvarende kan andre stor-område-litografiprocesser, såsom faseskiftfotolitografi 30 , nanoimprint-lithografi 31 og ladet partikelstrålelithografi 32 , også anvendes til at skabe højopløsningsmønstre i resistfilmen. Den elektroaflejringsproces, der anvendes i vores demonstration, er baseret på en laboratorieopstilling. Vores metode kan dog let ændres til et industrielt skala, stort gennemløbsbelægningsbad til produktion. Vi brugte therMal aftryk overførsel i demonstrationen, men andre materialer, der kan hærdes ved hjælp af ultraviolet eller andre midler, kan også anvendes til overføringsprocessen.
Ved udførelsen af vores metode kan der opstå nogle problemer. Maskets tykkelse, såvel som dens geometriske profil, er kritisk for den konsistente LEIT-fremstilling af EMTE'er. Kurven vist i figur 2d viser, at overførslen kun var vellykket for tykkere masker ( dvs. en tykkelse større end 500 nm). Årsagen til de mislykkede overførsler er, at COC-filmens påførte overfangningskraft på den øvre overflade og sidevæggen af tyndere metalmasker simpelthen ikke kunne modvirke adhæsionskraften mellem metal- og FTO-glasset.
Der er begrænsninger for vores nuværende metode. Selvom LEIT er en omkostningseffektiv tilgang til udskiftning af vakuumbaseret metalafsætning med en galvaniseringsproces til fremstilling af EMTE'er, omfatter den en obligatorisk lithografiPhy trin når du laver hver prøve. Dette begrænser dets egnethed til høj gennemstrømning og stor volumen industriproduktion. Vores fremtidige arbejde vil fokusere på at løse dette vigtige problem.
Med en bedre ydeevne til en lavere pris og høj gennemstrømningsfremstillingsstrategi har vores EMTE en bred vifte af anvendelser i fleksible optoelektroniske enheder, såsom organiske solceller 33 , organiske lysdioder 34 , organiske tyndfilmstransistorer 35 , fleksible Gennemsigtige berøringspaneler 10 osv . Endvidere kan masken anvendes i kunstig hud ved at overføre den til strækbare substrater. I øjeblikket undersøger vi dens egnethed i strækbare elektroniske enheder. Faktisk er dens præstation lovende i sådanne applikationer.
Sammenfattende præsenterer vi nye EMTE'er, hvor metalnet er mekanisk forankret i en polymerfilm. ComparUdført til eksisterende metalnetelektroder, er den væsentligste fordel ved denne EMTE-struktur, at den bruger et tykt metalnet til højere elektrisk ledningsevne uden at tabe overfladens fladhed. EMTE'erne fremstilles til opnåelse af et forhold mellem elektrisk og optisk konduktans på mere end 10 4 , som er blandt de højeste af de TE'er 29, der er rapporteret i litteraturen. Desuden forstærker den indlejrede struktur den kemiske stabilitet af EMTE'erne i en omgivende atmosfære og den mekaniske stabilitet under bøjningsspænding.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev delvist støttet af Den Generelle Forskningsfond fra Forskningsrådet for Den Særlige Administrative Region Hongkong (Præmie nr. 17246116), Young Scholar Programmet fra National Natural Science Foundation of China (61306123), Basic Research Program- Generelle Program fra Videnskab og Teknologi Innovation Commission of Shenzhen Kommune (JCYJ20140903112959959), og nøgleforsknings- og udviklingsprogrammet fra Zhejiang Provincial Department of Science and Technology (2017C01058). Forfatterne vil gerne takke Y.-T. Huang og SP Feng for deres hjælp med de optiske målinger.
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).
