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 , 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.
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Protocol
ACHTUNG: Bitte beachten Sie die Elektronenstrahlsicherheit. Bitte tragen Sie die richtige Schutzbrille und Kleidung. Auch alle brennbaren Lösemittel und Lösungen sorgfältig behandeln.
1. Photolithographie-basierte Fertigung der EMTE
- Photolithographie zur Herstellung des Netzmusters
- Saubere FTO-Glas-Untergründe (3 cm x 3 cm) mit flüssigem Reinigungsmittel mit Wattestäbchen. Spülen Sie sie gründlich mit deionisiertem (DI) Wasser mit einem sauberen Wattestäbchen. Weiterhin reinigen sie mit Ultraschall (Frequenz = 40 kHz, Temperatur = 25 ° C) in Isopropylalkohol (IPA) für 30 s vor dem Trocknen mit Druckluft.
ACHTUNG: Druckluft sorgfältig handhaben. - 100 μl des Photoresists auf dem gereinigten FTO-Glas für 60 s bei 4.000 U / min (ca. 350 xg für Proben mit einem Radius von 2 cm) auf einen 1,8 μm dicken, gleichmäßigen Film geben.
- Backen Sie den Photoresistfilm auf einer Kochplatte für 50 s an100 ° C
- Exponieren Sie den Photoresistfilm durch eine Photomaske mit einem Maschenmuster (3 μm Linienbreite, 50 μm Teilung) unter Verwendung eines UV-Maskenausrichters für eine Dosis von 20 mJ / cm 2 .
- Entwickeln Sie den Photoresist durch Eintauchen der Probe in die Entwicklerlösung für 50 s.
- Spülen Sie die Probe in DI-Wasser und trocknen Sie sie mit Druckluft.
ACHTUNG: Druckluft sorgfältig handhaben.
- Saubere FTO-Glas-Untergründe (3 cm x 3 cm) mit flüssigem Reinigungsmittel mit Wattestäbchen. Spülen Sie sie gründlich mit deionisiertem (DI) Wasser mit einem sauberen Wattestäbchen. Weiterhin reinigen sie mit Ultraschall (Frequenz = 40 kHz, Temperatur = 25 ° C) in Isopropylalkohol (IPA) für 30 s vor dem Trocknen mit Druckluft.
- Elektrodenposition von Metallen.
- Gießen Sie 100 ml Kupfer wässrige Plattierungslösung in ein 250 ml-Becherglas.
HINWEIS: Für die Herstellung von EMTEs mit den jeweiligen Metallen können andere wässrige Plattierungslösungen ( z. B. Silber, Gold, Nickel und Zink) verwendet werden.
ACHTUNG: Auf die Chemikaliensicherheit achten. - Verbinden Sie das mit Photoresist überzogene FTO-Glas mit dem negativen Anschluss des Elektro-Elektroden-Elektrodenabscheiders und tauchen Sie es in die Galvanisierlösung als Arbeitselektrode ein.
- Verbinden Sie den KupfermetallstabZu dem positiven Anschluss des Elektrodenelektrodenabscheiders als Elektrodelektrode.
- Versorgen Sie einen konstanten 5-mA-Strom (Stromdichte: ~ 3 mA / cm 2 ) mit einem Spannungs- / Strom-Sourcing- und Messgerät ( zB Sourcemeter) für 15 min, um das Metall auf eine Dicke von ca. 1,5 μm abzuscheiden.
- Die mit Photoresist beschichtete FTO-Glasprobe gründlich mit DI-Wasser abspülen und mit Druckluft abtrocknen.
ACHTUNG: Druckluft sorgfältig handhaben. - Legen Sie die mit Photoresist beschichtete FTO-Glasprobe 5 Minuten lang in Aceton, um den Photoresistfilm aufzulösen, wobei das blanke Metallgewebe auf dem FTO-Glas liegt.
- Gießen Sie 100 ml Kupfer wässrige Plattierungslösung in ein 250 ml-Becherglas.
- Thermische Abdruckübertragung des Metallgeflechts auf das flexible Substrat.
- Legen Sie die Metall-Mesh-bedeckte FTO-Glasprobe auf die elektrisch beheizten Platten des thermischen Imprinters und legen Sie einen 100 μm dicken, flexiblen, zyklischen Olefin-Copolymer (COC) -Film auf die ProbeDie Metall-Mesh-Seite.
- Die Platten der beheizten Presse auf 100 ° C erhitzen.
- 15 MPa Druckdruck auftragen und 5 min aufbewahren.
ACHTUNG: Bei der Verwendung der beheizten Presse auf Sicherheit achten.
HINWEIS: Die Aufdruckübertragung kann bei einem niedrigeren Druck erfolgen. Der hier angegebene Druckwert (15 MPa) ist relativ hoch. Dieser Hochdruck wurde verwendet, um sicherzustellen, dass das Metallgeflecht vollständig in den COC-Film eingebettet war. - Die beheizten Platten auf die Entformungstemperatur von 40 ° C abkühlen.
- Den Druckdruck freigeben.
- Ziehen Sie den COC-Film aus dem FTO-Glas ab, wobei das Metallgewebe vollständig in den COC-Film eingebettet ist.
2. Herstellung von Sub-Mikron-EMTEs
- Herstellung von Sub-Mikron-EMTEs mittels Elektronenstrahl-Lithographie (EBL).
- Spincoat 100 μl Polymethylmethacrylat (PMMA) -Lösung (15k MW, 4 Gew .-% in Anisol) auf das gereinigte FTO-Glas für 60 saT 2500 U / min (ca. 140 xg für Proben mit einem Radius von 2 cm), um einen 150 nm dicken, gleichmäßigen Film zu erzielen.
- Den PMMA-Film auf einer Kochplatte für 30 min bei 170 ° C backen.
- Das EBL-System einschalten und das Maschenmuster (400-nm-Linienbreite, 5 μm Pitch) mit einem Mustergenerator 29 ausbilden.
- Legen Sie die Probe in ein Rasterelektronenmikroskop, das mit dem Mustergenerator verbunden ist, und führen Sie den Schreibvorgang aus.
- Entwickeln Sie den Resist für 60 s in einer gemischten Lösung von Methylisopropylketon und Isopropanol im Verhältnis 1: 3.
- Spülen Sie die Probe mit DI-Wasser ab und trocknen Sie sie mit Druckluft.
ACHTUNG: Druckluft sorgfältig handhaben. - Legen Sie 100 ml der Kupfer-wässrigen Plattierungslösung in ein mittelgroßes Becherglas.
HINWEIS: Für die Herstellung von EMTEs mit den jeweiligen Metallen sollten andere wässrige Beschichtungslösungen ( z. B. Silber-, Gold-, Nickel- und Verzinkungslösungen) verwendet werden/ Li> - Befestigen Sie das PMMA-beschichtete FTO-Glas an den Minuspol der Elektrodenabscheidungseinrichtung mit zwei Elektroden, tauchen Sie es in die Galvanisierlösung als Arbeitselektrode ein und verbinden Sie den Kupfermetallstab mit dem Pluspol, um den Kreislauf zu vervollständigen.
HINWEIS: Für die jeweiligen Metall-Elektrodenabscheidungen sind andere Metalle ( dh Silber, Gold, Nickel und Zink) zu verwenden. - Tragen Sie einen geeigneten Strom, der mit einer Stromdichte von etwa 3 mA / cm 2 entspricht , auf den Maschenmusterbereich für 2 min, um das Metall auf eine Dicke von etwa 200 nm abzusetzen (die tatsächliche Dicke muss durch SEM oder AFM bestimmt werden).
- Die Probe mit DI-Wasser vorsichtig waschen und 5 Minuten in Aceton geben, um den PMMA-Film aufzulösen.
- Setzen Sie die Metall-Mesh-bedeckte FTO-Glasprobe auf die elektrisch beheizten Platten des thermischen Imprinters und legen Sie einen COC-Film (100 μm-dick) auf die Probe.
- Die Platten auf 100 ° C erhitzen, 15 auftragenMPa Druckdruck, und halten Sie es für 5 min.
- Die beheizten Platten auf die Entformungstemperatur von 40 ° C abkühlen und den Druckdruck freigeben.
- Ziehen Sie den COC-Film aus dem FTO-Glas ab, zusammen mit dem in die COC-Folie eingebetteten Mikrometer-Metallgewebe.
3. Leistungsmessung der EMTE
- Blechwiderstandsmessung
- Silberpaste an zwei gegenüberliegenden Kanten der quadratischen Probe verbreiten und warten, bis es trocknet.
- Setzen Sie die vier Sonden des Widerstandsmessgeräts sorgfältig auf die silbernen Pads und folgen Sie den Anweisungen des Gerätes.
- Wechseln Sie in den Widerstandsmessmodus der Stromquelle / Messgerät und notieren Sie den Wert auf dem Display.
- Optische Übertragungsmessung
- Schalten Sie den UV-Vis Messaufbau ein und kalibrieren Sie das Spektrometer ( dh korrelieren Sie die MesswerteHa Standardprobe zur Überprüfung der Genauigkeit des Gerätes).
- Legen Sie die EMTE-Probe auf den Spektrometer-Probenhalter und ordnen Sie die optische Richtung ordnungsgemäß aus.
- Stellen Sie das Spektrometer auf 100% Durchlässigkeit ein.
HINWEIS: Alle hier vorgestellten Transmissionswerte werden auf die absolute Durchlässigkeit durch das blanke COC-Filmsubstrat normiert. - Messen Sie die Durchlässigkeit der Probe.
- Speichern Sie die Messung und Abmeldung des Setups.
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Representative Results
Abbildung 1 zeigt das schematische und Fertigungs-Flussdiagramm der EMTE-Proben. Wie in Abbildung 1a dargestellt , besteht das EMTE aus einem Metallgitter, das vollständig in einen Polymerfilm eingebettet ist. Die obere Fläche des Netzes befindet sich auf dem gleichen Niveau wie das Substrat und zeigt eine allgemein glatte Plattform für die nachfolgende Geräteherstellung. Die Fertigungstechnik ist in Abbildung 1b - e schematisch dargestellt . Nach dem Spincoating eines Photoresistfilms auf einem FTO-Glassubstrat wird die Photolithographie verwendet, um das Maschenmuster in Photoresist durch UV-Belichtung und -Entwicklung zu erzeugen ( Abbildung 1b ), wodurch die leitfähige Oberfläche des Glases im Graben aufgedeckt wird. Im folgenden Schritt wird das jeweilige Metall innerhalb der Gräben durch galvanische Abscheidung gezüchtet, die die Gräben zu einem regelmäßigen Metallgeflecht füllt ( Fig. 1c Abbildung 1d ). Als nächstes wird ein Polymerfilm auf der Probe positioniert und auf eine Temperatur erhitzt, die höher als seine Glasübergangstemperatur ist. Metallgitter wird durch die Anwendung eines gleichmäßigen Drucks in den erweichten Polymerfilm geschoben ( Fig. 1e ). Schließlich wird durch Abkühlen des Stapels auf Raumtemperatur und Abziehen des Polymerfilms aus dem leitfähigen Glas das Metallgewebe in vollständig eingebetteter Form auf die Kunststoffolie übertragen ( Fig. 1f ). Das gesamte Herstellungsverfahren ist lösungsorientiert und in einer Umgebungsatmosphäre umgesetzt; Daher kann es leicht für die massenproduktion angepasst werden.
Abbildung 2 zeigt die Atomkraftmikroskopie (AFM) und die Rasterelektronenmikroskopie (SEM) imaGes der Morphologie der EMTE bei verschiedenen Herstellungsschritten des LEIT-Prozesses. Fig. 2a zeigt die Grabenbilder in dem Photoresistfilm, der durch Photolithographie hergestellt wurde. In dieser speziellen Probe beträgt die Breite des Photoresistgrabens etwa 4 μm, während die Tiefe nahezu 2 μm beträgt. Abbildung 2b zeigt das galvanische Kupfergewebe auf FTO-Glas. Wie aus den Ergebnissen ersichtlich ist, weist das Kupfergewebe eine Dicke und eine Linienbreite von etwa 1,8 bzw. 4 μm auf. Fig. 2c zeigt das übertragene Kupfergeflecht auf einem COC-Film 28 . Die AFM-Bilder bestätigen, dass die Oberflächenrauhigkeit der erreichten EMTE (1,8 μm Dicke) niedriger als 50 nm ist und deren eingebettete Konfiguration bestätigt wird. Das LEIT-Verfahren kann weiter untersucht werden, indem die Elektroabscheidungszeit variiert wird, um Kupfer-EMTEs unterschiedlicher Dicke herzustellen. Die Korrelation der Metalldicke und der Elektroabscheidungszeit ist preseIn Fig. 2d dargestellt. Die in Fig. 2d gezeigte Kurve zeigt, daß sich die Dicke des Metalls nichtlinear mit einer Erhöhung der Elektroabscheidungszeit ändert. Dies liegt an dem nicht rechteckigen Querschnitt des Photoresistgrabens ( Bild 2a ), der einen schmaleren Boden, aber eine breitere Oberseite aufweist. Somit nimmt während der galvanischen Abscheidung (konstanter Strom) die Wachstumsrate der Metalldicke mit der Zeit ab. Daher hat das Netz eine größere Breite an dem höheren Teil, was für eine Aufdruckübertragung vorteilhaft ist, da es in der Kunststofffolie mechanisch verankert werden kann.
Abbildung 3a -c zeigt die strukturelle Charakterisierung der EBL-gemusterten EMTE-Fertigung in verschiedenen Schritten des LEIT-Prozesses, um ihre dimensionale Skalierbarkeit zu validieren. Abbildung 3a zeigt die AFM- und SEM-Bilder der TrenChes in PMMA-Film über EBL gemacht. Die Grabentiefe und -breite liegen bei etwa 150 bzw. 400 nm. Fig. 3b zeigt das auf FTO-Glas galvanisierte Kupfergewebe, und Fig. 3c zeigt das aufgedruckte Kupfergeflecht auf einem COC-Film. Das Metallgeflecht auf dem COC-Substrat ist vollständig eingebettet und bietet eine starke Haftung und Stabilität mit dem Kunststoffsubstrat.
Abbildung 4a zeigt die Durchlässigkeit von Kupfer-EMTEs von 600 nm, 1 μm und 2 μm Dicke im Wellenlängenbereich von 300-850 nm. Als die Metallgitterdicke von 600 nm auf 2 μm anstieg, wurde nur eine minimale Verringerung der Durchlässigkeit festgestellt, und dieser Tropfen wird dem nicht rechteckigen Profil des Grabens im Photoresist und der Metallüberplattierung zugeschrieben. Andererseits kann der Schichtwiderstand von EMTEs signifikant verringert werden, wenn die MetalldickeWird erhöht, wie in Abbildung 4b gezeigt . Für die Kupfer-EMTE mit einer Dicke von 2 μm wurde ein außergewöhnlich geringer Flächenwiderstand von 0,07 Ω / qm aufgezeichnet, wobei die optische Durchlässigkeit noch höher als 70% beträgt.
Fig. 4b zeigt das Verhältnis von elektrischer Leitfähigkeit zu optischer Leitfähigkeit (σ dc / σ opt ), ein FoM, das üblicherweise verwendet wird, um die Leistung von TEs zu vergleichen. Die in Fig. 4b gezeigten FoM-Werte wurden für verschiedene EMTEs, die in dieser Arbeit gemacht wurden, berechnet, indem der folgende häufig verwendete Ausdruck 4 , 7 , 17 , 18 : 
Wobei R s der Schichtwiderstand ist und T die optische Durchlässigkeit bei einer 550 nm-Welle istLänge. Die Einfügung von Fig. 4b zeigt die Beziehung zwischen dem FoM und der Metalldicke an. Die gegebene Darstellung zeigt, dass die Dicke des Metalls einen signifikanten Einfluss auf den Flächenwiderstand und damit auf den Wert des FoM hat, indem die Leitfähigkeit eines dickeren Metallgewebes erhöht wird, ohne die Durchlässigkeit beträchtlich zu verlieren. Die Prototyp-EMTEs erreichten FoM-Werte von mehr als 1,5 x 10 4 , die zu den besten in der Literatur angegebenen Werten gehören.
Fig. 5a zeigt den Schichtwiderstand und die UV-Vis-Spektren eines hoch transparenten Kupfer-EMTE auf COC-Folie (5 x 5 cm 2 ) mit einer Teilung, einer Linienbreite und einer Dicke von 150, 4 bzw. 1 μm, was die Skalierbarkeit von Die Gesamtgröße unserer EMTE-Struktur und LEIT-Fertigungsstrategie. Aufgrund der relativ großen Tonhöhe zeigt die Probe eine höhere optische Durchlässigkeit (94%), während mEinen niedrigeren Schichtwiderstand (0,93 Ω / sq). In ähnlicher Weise können zahlreiche Anordnungen des Flächenwiderstandes und der optischen Durchlässigkeit für verschiedene Vorrichtungen durch Einstellen der geometrischen Schlüsselcharakteristiken der EMTE erreicht werden.
Abbildung 5b zeigt den Flächenwiderstand und die optischen Durchlässigkeitsspektren von EMTEs aus verschiedenen Metallen, darunter Silber, Gold, Nickel und Zink, um die Vielseitigkeit der Materialwahl mit unserer EMTE zu demonstrieren. Die Transmissionsspektren sind nahezu flach und über den gesamten sichtbaren Bereich, der für Anzeigegeräte und Solarzellenanwendungen vorteilhaft ist. Zink-, Silber- und Nickel-basierte EMTEs haben vergleichbare Metalldicken, so dass alle Proben etwa ähnliche Durchlässigkeiten aufweisen (fast 78%), während die Flächenwiderstände 1,02, 0,52 bzw. 1,40 Ω / sq betragen. Aufgrund der unterschiedlichen Metalldicken sind die Gold- und Kupfer-basierten EMTEs (fast 2 μm und 600 nm) haben Schichtwiderstände von 0,20 und 0,70 Ω / sq und Durchlässigkeiten von 72% bzw. 82%. Die erfolgreiche Produktion dieser EMTEs bestätigte die Materialvielfalt und erfüllte damit unterschiedliche Anforderungen an die chemische Kompatibilität und Arbeitsfunktion des Leiters in verschiedenen Geräten.
Abbildung 6a und b zeigen die überlegene Flexibilität unserer EMTEs durch Korrelation des Flächenwiderstandes mit den Biegezyklen für Druck- und Zugbelastungen bei Radien von 3, 4 und 5 mm. Die in Fig. 6a gezeigten Ergebnisse zeigen, daß für das Kompressionsbiegen mit 4 und 5 mm Radien keine offensichtliche Änderung des Schichtwiderstandes (0,07 Ω / sq) für 1000 Biegungen auftritt. Auch die Veränderung des Flächenwiderstandes liegt bei 100% seines Anfangswertes (von 0,07 Ω / sq bis 0,13 Ω / sq) für den 3 mm Biegeradius. Ähnlich, für Zug bEndende Änderungen des Flächenwiderstandes gegen die Biegezyklen sind in Fig. 6b gezeigt , was anzeigt, daß für 1.000 Zyklen von 3, 4 und 5 mm Radien die Blattwiderstände um fast 350%, 150% bzw. 30% geändert wurden. Abbildung 6c zeigt die Umgebungsstabilität der Kupfer-EMTEs nach Eintauchen in DI-Wasser und IPA und die Einwirkung einer heißen und feuchten Atmosphäre (60 ° C, 85% relative Feuchtigkeit). Aus den Ergebnissen geht hervor, dass nach 24 h die morphologischen Strukturen und Bogenwiderstände der EMTE unberührt bleiben.
Abbildung 1: Schematische Diagramme der EMTE-Struktur und des LEIT-Fertigungsverfahrens. ( A ) Ein EMTE mit einem Metallgitter, eingebettet in eine transparente Kunststofffolie. ( B ) Maschenmuster in einem resiDer auf einem leitfähigen Glassubstrat unter Verwendung von Lithographie geschichtet ist. ( C ) Elektrodenposition von Metall in den Gräben des Resists, um ein gleichmäßiges Metallgeflecht herzustellen. ( D ) Auflösen des Resists zur Erzielung von blankem Metallgewebe ( E ) Heizen und Pressen des Metallgewebes in eine Kunststofffolie. ( F ) Trennung der Kunststofffolie und des Metallgewebes in einer vollständig eingebetteten Form. Diese Zahl wurde aus Referenz 29 geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2: Herstellung von Prototypen mit 50 μm Pitch-Kupfer-EMTEs. ( A - c ) SEM (links, mit der Einfügung zeigt das vergrößerte Bild) und AFM (Rechts) Charakterisierungen einer Probe EMTE in verschiedenen Stadien von LEIT: ( a ) Mesh-Muster im Photoresist. ( B ) Kupfergewebe auf dem FTO-Glas nach dem Auflösen des Photoresists. ( C ) Kupfergewebe vollständig in ein COC-Substrat eingebettet. ( D ) Verhältnis zwischen Metalldicke und Elektroabscheidungszeit bei konstanter Elektroabscheidungsstromdichte (3 mA / cm 2 ). Erfolglose und erfolgreiche Fälle nach der Aufdruckübertragung werden durch rote und schwarze Farben belegt. Diese Figur wurde von Referenz 29 geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 3: SEM (links) und AFM (rechts) Charakterisierungen eines PRototyp Sub-Mikrometer-Linienbreite EMTE an verschiedenen Stufen von LEIT. ( A ) Nanomesh-Muster, die in einem PMMA-Film unter Verwendung von EBL hergestellt wurden. ( B ) Kupfer-Nanomesh auf dem FTO-Glas nach dem Auflösen des PMMA-Films. ( C ) Kupfer-Nanomesh vollständig in ein COC-Substrat eingebettet. Diese Zahl wurde aus Referenz 29 geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 4: Leistungsmerkmalisierung des Prototyps 50 μm-Tonhöhe Kupfer EMTEs. ( A ) Optische Spektren der typischen Kupfer-EMTEs. Inset: optisches Bild der flexiblen Kupfer-EMTE. ( B ) Verhältnis zwischen Durchlässigkeit und Flächenwiderstand für Kupfer-EMTEs Von verschiedenen Maschendicken; Die entsprechenden FoM-Werte werden im Insert angezeigt. Diese Zahl wurde aus Referenz 29 geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 5: Dimensionale Skalierbarkeit und Material Vielseitigkeit der Kupfer-EMTEs. ( A ) Blechwiderstand und optische Spektren eines hoch transparenten Kupfer-EMTE mit einer Teilung von 150 μm auf einem großen COC-Substrat (5 x 5 cm 2 ). Inset: optisches Bild der großflächigen EMTE. ( B ) Blattwiderstände und optische Spektren von 50 μm-Pitch-EMTEs aus verschiedenen Metallen. Diese Zahl wurde aus Referenz 29 geändert.P_upload / 56019 / 56019fig5large.jpg "target =" _ blank "> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 6: Mechanische und umweltfreundliche Stabilität der Kupfer-EMTEs. ( A ) Kurve der Änderungen des Flächenwiderstandes mit wiederholten Druckbiegezyklen. ( B ) Kurve der Änderungen des Flächenwiderstandes mit wiederholten Biegezyklen. ( C ) Änderungen des Flächenwiderstandes in den Umwelt- und Chemikalienprüfungen. Initial: SEM-Bilder nach den Tests. Diese Zahl wurde aus Referenz 29 geändert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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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 werden können. In ähnlicher Weise können auch andere großflächige Lithographieverfahren, wie z. B. Phasenverschiebungs-Photolithographie 30 , Nanoimprint-Lithographie 31 und Ladungsteilchen-Strahl-Lithographie 32 , verwendet werden, um hochauflösende Muster in dem Resistfilm zu erzeugen. Der in unserer Demonstration verwendete Elektroabscheidungsprozess basiert auf einem Labormaßstab. Allerdings kann unsere Methode leicht auf ein industrielles, großdurchsatziges Galvanisierbad zur Herstellung modifiziert werden. Wir haben es angewendetMal Aufdruck Transfer in der Demonstration, aber auch andere Materialien, die durch Ultraviolett oder andere Mittel gehärtet werden können, können auch auf den Transferprozess angewendet werden.
Bei der Durchführung unserer Methode können einige Probleme auftreten. Die Metallgitterdicke sowie ihr geometrisches Profil sind entscheidend für die konsequente LEIT-Fertigung von EMTEs. Die in Fig. 2d gezeigte Kurve zeigt, daß die Transfers nur für dickere Maschen ( dh eine Dicke von mehr als 500 nm) erfolgreich waren. Der Grund für die erfolglosen Transfers besteht darin, dass die angelegte Fangkraft des COC-Films auf der Oberseite und der Seitenwand dünnerer Metallmaschen der Haftkraft zwischen dem Metall- und FTO-Glas einfach nicht entgegenwirken konnte.
Es gibt Einschränkungen unserer aktuellen Methode. Obwohl LEIT ein kostengünstiger Ansatz ist, die vakuumbasierte Metallabscheidung durch ein Galvanisierungsverfahren für die Herstellung von EMTEs zu ersetzen, besteht sie aus einer obligatorischen LithographiePhy Schritt bei der Herstellung jeder Probe. Dies beschränkt seine Eignung für Hochdurchsatz und großvolumige industrielle Produktion. Unsere künftige Arbeit wird sich darauf konzentrieren, dieses wichtige Thema zu lösen.
Mit einer besseren Leistung zu niedrigeren Kosten und der Hochdurchsatz-Fertigungsstrategie bietet unser EMTE ein breites Anwendungsspektrum in flexiblen optoelektronischen Bauelementen wie organischen Solarzellen 33 , organischen Leuchtdioden 34 , organischen Dünnschichttransistoren 35 , flexibel Transparente Touchpanels 10 , etc. Darüber hinaus kann das Netz in künstlicher Haut verwendet werden, indem es auf dehnbare Substrate übertragen wird. Derzeit untersuchen wir seine Eignung in dehnbaren elektronischen Geräten. In der Tat ist seine Leistung in solchen Anwendungen vielversprechend.
Zusammenfassend präsentieren wir neuartige EMTEs, bei denen Metallgewebe mechanisch in einem Polymerfilm verankert ist. VergleichZu den vorhandenen Metall-Mesh-Elektroden, ist der entscheidende Vorteil dieser EMTE-Struktur, dass es ein dickes Metallgewebe für höhere elektrische Leitfähigkeit verwendet, ohne die Oberflächenebenheit zu verlieren. Die EMTEs werden hergestellt, um ein Verhältnis von elektrischer zu optischer Leitfähigkeit von mehr als 10 & sup4; zu erreichen, was zu den höchsten der in der Literatur gemachten TEs 29 gehört . Darüber hinaus erhöht die eingebettete Struktur die chemische Stabilität der EMTEs in einer Umgebungsatmosphäre und die mechanische Stabilität unter Biegespannung.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Acknowledgments
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
| 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).
