Estrategia escalable de fabricación procesada por soluciones para electrodos transparentes de alto rendimiento y flexibles con malla metálica integrada

El objetivo general de este procedimiento es utilizar un proceso de fabricación basado en soluciones que combine litografía, deposición eléctrica y transferencia de impresión para producir una película conductora transparente, flexible y de alto rendimiento con una malla micrometálica autoanclada y totalmente incrustada. Esta malla puede ayudar a abordar los desafíos clave que enfrentan los futuros dispositivos electrónicos flexibles basados en malla metálica, como la tipografía de superficie no plana, el bajo rendimiento de fabricación y el alto costo de fabricación. La malla metálica incrustada proporciona varias ventajas, como la suavidad crucial, la estabilidad mecánica y una alta tensión de combustión, una fuerte adhesión al sustrato flexible y resistencia a la humedad, el oxígeno y los productos químicos.

Nuestro proceso colocará esto basando la deposición de metal con deposición eléctrica basada en solución, y es simple para perseguir un alto rendimiento, como volumen y producción de bajo costo. Mi grupo ayudó al grupo de la Dra. Wendy Lee a probar la estabilidad dimensional del proceso de fabricación de malla metálica mediante el modelado de malla metálica de 400 nanómetros con nuestro sistema de litografía de haz eléctrico construido en casa. Mi asistente Xiong Ze va a demostrar el proceso de modelado de haces eléctricos.

Para comenzar la fabricación de EMTE, limpie una pieza de vidrio recubierta de óxido de estaño dopado con detergente líquido y un hisopo de algodón de tres centímetros por tres centímetros de vidrio recubierto de óxido de estaño dopado con detergente. Enjuague a fondo el sustrato de vidrio con agua desionizada y elimine los restos de detergente con otro hisopo. Sonicar el vidrio FTO en isopropanol durante 30 segundos a 40 kilohercios.

A continuación, seque el vidrio limpio con aire comprimido. A continuación, coloque el vidrio FTO limpio y seco en una centrifugadora y aplique 100 microlitros de fotorresistencia positiva. Centrifugar el vidrio a 4.000 rpm durante 60 segundos para producir una película de 1,8 micras de grosor.

Hornea el vaso recubierto a 100 grados centígrados durante 50 segundos. Cubra el vidrio recubierto con una máscara de patrón de malla y exponga el fotorresistente a suficiente luz ultravioleta para lograr una fluencia radiante de 20 milijulios por centímetro cuadrado. A continuación, sumerja el vidrio recubierto en el revelador adecuado durante 50 segundos para eliminar la fotorresistencia expuesta.

Enjuague la muestra con agua desionizada y séquela bajo un chorro de aire comprimido. A continuación, coloque 100 milolitros de solución de galvanoplastia de cobre en un vaso de precipitados de 250 mililitros. Sumerja la muestra en la solución de enchapado.

Y conéctelo al terminal negativo de un aparato de electrodeposición de dos electrodos. Luego, conecte una barra de metal de cobre al terminal positivo del aparato. Aplique una corriente constante de cinco miliamperios para lograr una densidad de corriente de tres miliamperios por centímetro cuadrado durante 15 minutos, para depositar una capa de cobre de 1,5 micras de espesor sobre la muestra.

El croquetado es el paso crítico en la fabricación. La densidad de corriente y el tiempo de galvanoplastia afectan la morfología de la malla metálica y el rendimiento final, y deben probarse y optimizarse con sus propias muestras. Enjuague bien la muestra galvanizada con agua desionizada y séquela bajo un chorro de aire comprimido.

Sumerja la muestra en acetona durante cinco minutos para disolver la fotorresistencia restante y dejar una malla metálica desnuda sobre la superficie del vidrio FTO. Enjuague y seque la muestra con agua desionizada y aire comprimido. A continuación, coloque la muestra en la platina de una prensa hidráulica con la malla metálica hacia arriba.

Cubra la muestra con una película de copolímero de olefina cíclica de 100 micras de espesor con una temperatura de transición vítrea de 78 grados Celsius. Caliente las platinas a 100 grados centígrados y luego aplique 15 milipascales de presión de impresión a la muestra durante cinco minutos. Tire de las platinas a 40 grados centígrados antes de liberar la presión de impresión.

La presión y la temperatura son intereses importantes en el paso de transferencia de impresión. Asegúrese de que su impresión y presión sean uniformes y lo suficientemente altas para una transferencia completa. La temperatura debe ser aproximadamente 20 grados más alta que la temperatura de transición vítrea del material del sustrato.

Pegue con cuidado la película de polímero con la malla incrustada de la superficie del vidrio FTO para obtener el EMTE. Para comenzar a preparar un EMTE submicrónico, limpie una pieza de vidrio FTO de tres centímetros por tres centímetros con detergente líquido y agua desionizada seguida de sonicación en isopropanol. Coloque el vidrio FTO limpio y seco en una centrifugadora y aplique 100 microlitros de PMMA al 4% en peso en anastole.

Gire el vidrio a 2500 RPM durante 60 segundos para producir una película de 150 nanómetros de espesor. Hornee la película a 170 grados centígrados durante 30 minutos, luego inicie el sistema de litografía por haz de electrones y prepare un patrón de malla con un generador de patrones. Coloque la muestra en el sistema de litografía por haz de electrones y ejecute el proceso de modelado.

Desarrolle el PMMA por inmersión en una mezcla de uno a tres de metil-isopropil-cetona e isopropanol durante 60 segundos. Enjuague la muestra con patrón con agua desionizada y séquela bajo un chorro de aire comprimido. A continuación, coloque la muestra modelada en una solución de galvanoplastia de cobre y conecte la muestra al terminal negativo de un aparato de electrodeposición de dos electrodos.

Conecte el terminal positivo a una barra de cobre y metal. Aplique una corriente constante para lograr una densidad de corriente de tres miliamperios por centímetro cuadrado durante dos minutos para cubrir 200 nanómetros de cobre en la muestra. Enjuague la muestra con agua desionizada y sumerja la muestra en acetona durante cinco minutos para disolver el PMMA.

A continuación, coloque la muestra en la platina de una prensa hidráulica. Cubra la muestra con una película de copolímero de olefina cíclica de 100 micras de espesor con una temperatura de transición vítrea de 78 grados Celsius. Calentar las platinas a 100 grados centígrados y aplicar 15 milipascales de presión de impresión durante cinco minutos.

Enfríe las platinas a 40 grados centígrados antes de liberar la presión. Retire con cuidado la película del vidrio FTO para obtener el EMTE submicrónico. Para comenzar las mediciones de resistencia de la lámina, primero extienda la plata por los bordes opuestos del EMTE y deje que la pasta se seque.

Coloque las cuatro sondas del dispositivo de medición de resistencia de la hoja en las líneas de pasta de plata según las instrucciones del fabricante del dispositivo. Mida y registre la resistencia de la hoja. Para realizar mediciones de transmisión óptica, primero coloque el EMTE en el portamuestras de un espectrofotómetro UV vis calibrado ajustado al 100% de transmitancia.

Alinee la muestra perpendicular a la viga. Adquirir un espectro de transmisión de la EMTE para evaluar la electrotransparencia. Los EMTE de cobre se fabricaron con varios patrones de rejilla para evaluar el efecto de la geometría de la rejilla en las propiedades del electrodo.

La relación entre la conductancia eléctrica y la conductancia óptica para los EMTE de cobre a 550 nanómetros fue más de 1,5 veces 10 por cuatro. Las mallas más gruesas correspondieron a una menor transmitancia óptica y resistencia de la lámina. Los pasos más grandes correspondieron a una mayor resistencia y transmitancia de la lámina.

Los EMTE se fabricaron con varios metales utilizando una malla de paso de 50 micras, todos los cuales mostraron espectros de transmitancia planos y sin rasgos distintivos. Con la misma relación entre el espesor de la malla y la transmitancia, la transmitancia y la resistencia de la lámina se pueden ajustar primero ajustando la geometría y la composición de la malla. Se evaluó la resistencia de la lámina de los EMTE de cobre con respecto a los ensayos de flexión por compresión y tracción.

No se observaron cambios significativos para las pruebas de flexión compresiva de cuatro milímetros y cinco milímetros. La resistencia de la chapa se incrementa gradualmente con los ensayos de flexión por tracción. No se observó degradación ni resistencia de la lámina durante 24 horas de exposición al agua, isopropanol o a una atmósfera cálida y húmeda.

Los nuevos estudiantes pueden aprender esta técnica en unos pocos días. Una vez dominado, todo el proceso de fabricación se puede realizar en dos o tres horas y el equipo está listo. Esta técnica allana el camino para el uso de métodos de fabricación de procesos de solución escalables para desarrollar nuevos dispositivos micro y nano estructurados, como nuestra micro malla metálica autoanclada de alta relación de aspecto, incrustada en un sustrato flexible.

Muchas aplicaciones, como paneles táctiles, sensores de desplazamiento y células solares, pueden beneficiarse de nuestros electrodos transparentes de malla metálica integrados de alto rendimiento. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo usar este proceso de fabricación basado en soluciones para producir reales transparentes de malla metálica. Gracias por mirar, estamos abiertos a colaboraciones.