Summary
Detta protokoll beskriver en lösningsbaserad tillverkningsstrategi för högpresterande, flexibla, transparenta elektroder med fullt inbäddad tjock metallnät. Flexibla transparenta elektroder som tillverkas med detta förfarande visar bland de högst rapporterade prestanda, inklusive resistens mot extremt lågt ark, hög optisk transmittans, mekanisk stabilitet under böjning, starkt substratvidhäftning, ythaltighet och miljöstabilitet.
Abstract
Här rapporterar författarna den inbäddade metallnätets transparenta elektroden (EMTE), en ny transparent elektrod (TE) med ett metallnät helt inbäddat i en polymerfilm. Detta papper presenterar också en billig, vakuumfri tillverkningsmetod för denna nya TE; Tillvägagångssättet kombinerar litografi, elektroplätering och trycköverföring (LEIT) -behandling. EMTE: s inbyggda karaktär erbjuder många fördelar, till exempel hög ythaltighet, vilket är avgörande för organisk produktion av elektronisk utrustning. Överlägsen mekanisk stabilitet under böjning; Gynnsamt motstånd mot kemikalier och fukt Och stark vidhäftning med plastfilm. LEIT-tillverkning har en elektropläteringsprocess för dammfri metallavsättning och är gynnsam för industriell massproduktion. Vidare tillåter LEIT tillverkningen av metallnät med ett högt bildförhållande ( dvs tjocklek till linjebredden), vilket väsentligt förbättrar sin elektriska konduktans utan att negativt förlora optisk transmittance. Vi demonstrerar flera prototyper av flexibla EMTE, med arkresistans lägre än 1 Ω / kvadrat och överföringar över 90%, vilket resulterar i mycket höga meriter (FoM) - upp till 1,5 x 10 4 - som är bland de bästa värdena i Publicerad litteratur.
Introduction
I hela världen utförs studier för att leta efter ersättningar för styva transparenta ledande oxider (TCO), såsom indiumtennoxid och fluordopad tennoxid (FTO) fi lms, för att tillverka flexibla / töjbara TE som ska användas i framtida flexibla / Töjbara optoelektroniska anordningar 1 . Detta kräver nya material med nya tillverkningsmetoder.
Nanomaterial, såsom grafen 2 , ledande polymerer 3 , 4 , kolnanorör 5 och slumpmässiga nätverksnätverk 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , har studerats och har visat deras förmåga i flexibla TE, tack vare bristerna i Befintliga TCO-baserade TE, Inklusive fiam-sårbarhet 12 , låg infraröd transmittans 13 och låg överflöd 14 . Även med denna potential är det fortfarande utmanande att uppnå hög elektrisk och optisk konduktans utan försämring under kontinuerlig böjning.
I denna ram utvecklas vanliga metallnät 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 som en lovande kandidat och har åstadkommit anmärkningsvärt hög optisk transparens och lågt arkmotstånd, som kan avstämas vid behov. Den omfattande användningen av metallbaserade TE har dock hindrats på grund av många utmaningar. För det första innebär tillverkning ofta den dyra, vakuumbaserade avsättningen av metaller 16 , 17 , 18 , 21 . För det andra kan tjockleken lätt leda till elektrisk kortslutning 22 , 23 , 24 , 25 i tunnfilm organiska optoelektroniska anordningar. För det tredje ger den svaga vidhäftningen med substratytan en dålig flexibilitet 26 , 27 . Ovannämnda begränsningar har skapat en efterfrågan på nya metallbaserade TE-strukturer och skalbara tillvägagångssätt för deras tillverkning.
I denna studie rapporterar vi en ny struktur av flexibla TEs som innehåller ett metallnät helt inbäddat i en polymerfilm. Vi beskriver också ett innovativt, lösningsbaserat och billigt tillverkningsförfarande som kombinerar litografi, elektrodeposition och trycköverföring. FoM-värden så höga som 15k har uppnåtts på prov EMTE. På grund av den inbäddade naturen avEMTEs, anmärkningsvärd kemisk, mekanisk och miljöstabilitet observerades. Vidare kan den lösningsbehandlade tillverkningstekniken som upprättats i detta arbete potentiellt användas för lågpris och högproduktion av de föreslagna EMTE. Denna tillverkningsteknik är skalbar till finare metallnätlinjebredder, större ytor och en rad metaller.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
VARNING: Var uppmärksam på elektronstrålsäkerheten. Använd lämpliga skyddsglasögon och kläder. Hantera också alla brandfarliga lösningsmedel och lösningar noggrant.
1. Fotolitografibaserad tillverkning av EMTE
- Fotolitografi för tillverkning av nätmönstret.
- Rengör FTO-glas substrat (3 cm x 3 cm) med flytande tvättmedel med bomullspinne. Skölj dem noggrant med avjoniserat (DI) vatten med en ren bomullspinne. Vidare rengör dem med ultraljudsbehandling (frekvens = 40 kHz, temperatur = 25 ° C) i isopropylalkohol (IPA) i 30 s före torkning av dem med tryckluft.
VARNING: Hantera komprimerad luft noga. - Spincoat 100 μL av fotoresist på det rengjorda FTO-glaset i 60 s vid 4000 rpm (ca 350 xg för prov med en 2 cm radius) för att få en 1,8 μm tjock, likformig film.
- Baka fotoresistfilmen på en kokplatta i 50 s på100 ° C.
- Exponera fotoresistfilmen genom en fotomaske med ett maskermönster (3 μm linjebredd, 50 μm tonhöjd) med en UV-maskjustering för en dos av 20 mJ / cm 2 .
- Utveckla fotoresist genom att nedsänka provet i utvecklarlösningen under 50 s.
- Skölj provet i DI vatten och torka det med tryckluft.
VARNING: Hantera komprimerad luft noga.
- Rengör FTO-glas substrat (3 cm x 3 cm) med flytande tvättmedel med bomullspinne. Skölj dem noggrant med avjoniserat (DI) vatten med en ren bomullspinne. Vidare rengör dem med ultraljudsbehandling (frekvens = 40 kHz, temperatur = 25 ° C) i isopropylalkohol (IPA) i 30 s före torkning av dem med tryckluft.
- Elektrodeposition av metaller.
- Häll 100 ml kopparhaltig pläteringslösning i en 250 ml bägare.
OBS: Andra vattenhaltiga pläteringslösningar ( t.ex. silver, guld, nickel och zink) kan användas för tillverkning av EMTE med respektive metaller.
VARNING: Var uppmärksam på kemikaliesäkerhet. - Anslut det fotoresistbelagda FTO-glaset till den negativa kontakten på elektrodens elektrodposition och fördjupa den i pläteringslösningen som arbetselektrod.
- Anslut kopparstålenTill den positiva terminalen för elektrodepositionen för elektroden som elektroelektrod.
- Tillför en konstant 5-mA ström (strömtäthet: ~ 3 mA / cm 2 ) med hjälp av ett spännings / strömkällor och mätinstrument ( t.ex. Sourcemeter) i 15 minuter för att lägga metallet till en tjocklek av cirka 1,5 μm.
- Skölj noggrant det fotoresistbelagda FTO-glasprovet med DI-vatten och torka det med tryckluft.
VARNING: Hantera komprimerad luft noga. - Placera det fotoresistbelagda FTO-glasprovet i aceton i 5 minuter för att lösa fotoresistfilmen, med det nakna metallnätet ovanpå FTO-glaset.
- Häll 100 ml kopparhaltig pläteringslösning i en 250 ml bägare.
- Termisk trycköverföring av metallnätet till det flexibla substratet.
- Placera det metallplastdragerade FTO-glasprovet på värmeprinterens elektriskt uppvärmda plattor och sätt en 100 μm tjock flexibel cyklisk olefin-sampolymer (COC) film ovanpå provet, vänd motMetall mesh sidan.
- Värm plattorna på den uppvärmda pressen till 100 ° C.
- Applicera 15 MPa trycktryck och håll det i 5 minuter.
VARNING: Var uppmärksam på säkerheten vid användning av uppvärmd press.
OBS: Trycköverföringen kan utföras med lägre tryck; Det tryckvärde (15 MPa) som rapporteras här är relativt högt. Detta högtryck användes för att säkerställa att metallnätet var fullt inbäddat i COC-filmen. - Kyl upp de uppvärmda plattorna till avkolningstemperaturen på 40 ° C.
- Släpp avtryckstrycket.
- Skala av COC-filmen från FTO-glaset, med metallnätet helt inbäddat i COC-filmen.
2. Tillverkning av sub-mikron EMTE
- Tillverkning av sub-mikron EMTEs med hjälp av elektronstrållitografi (EBL).
- Spincoat 100 μL polymetylmetakrylat (PMMA) lösning (15k MW, 4 viktprocent i anisol) på det rengjorda FTO-glaset för 60 saT 2500 rpm (ca 140 xg för prover med en radie av 2 cm) för att uppnå en 150 nm tjock, likformig film.
- Baka PMMA-filmen på en kokplatta i 30 minuter vid 170 ° C.
- Slå på EBL-systemet och konstruera nätmönstret (400 nm linjebredd, 5 μm tonhöjd) med hjälp av en mönstergenerator 29 .
- Placera provet i ett scanningelektronmikroskop kopplat till mönstergeneratorn och kör skrivprocessen 29 .
- Utveckla resist i 60 s i en blandad lösning av metylisopropylketon och isopropanol i ett förhållande 1: 3.
- Skölj provet med DI vatten och torka det med tryckluft.
VARNING: Hantera komprimerad luft noga. - Placera 100 ml av den kopparhaltiga pläteringslösningen i en medelstor bägare.
OBS: Andra vattenhaltiga pläteringslösningar ( t.ex. silver-, guld-, nickel- och zinkpläteringslösningar) bör användas för tillverkning av EMTE med respektive metaller. </ Li> - Fäst det PMMA-belagda FTO-glaset i den negativa kontakten på elektrodens elektrodposition, doppa den i pläteringslösningen som arbetselektrod och koppla kopparbalkens metallstång till den positiva kontakten för att slutföra kretsen.
OBS: Andra metaller ( dvs silver, guld, nickel och zink) bör användas för respektive metallelektrodepositioner. - Applicera en lämplig ström som motsvarar en strömtäthet av ca 3 mA / cm 2 , till nätmönstersområdet i 2 min för att deponera metall till en tjocklek av cirka 200 nm (den faktiska tjockleken måste bestämmas av SEM eller AFM).
- Tvätta försiktigt provet med DI-vatten och placera det i aceton i 5 minuter för att lösa PMMA-filmen.
- Sätt det meterväxtade FTO-glasprovet på värmeprinterens elektriskt uppvärmda plattor och placera en COC-film (100 μm tjock) ovanpå provet.
- Värm plattorna till 100 ° C, använd en 15MPa trycktryck och håll det i 5 minuter.
- Kyl upp de uppvärmda plattorna till avdunstningstemperaturen på 40 ° C och låt trycktrycket släppas.
- Skala av COC-filmen från FTO-glaset, tillsammans med thesub-micronmetallnätet helt inbäddat i COC-filmen.
3. Prestationsmätning av EMTE
- Mätning av plåtmotstånd.
- Sprid silverpasta på två motsatta kanter av kvadratprovet och vänta tills det torkar.
- Placera de fyra sonderna på motståndsmätningsanordningen försiktigt på silverkuddarna enligt bruksanvisningen.
- Växla till motståndsmätningsläge för strömkälla / mätinstrument och spela in värdet på displayen.
- Optisk transmissionsmätning.
- Slå på inställningen för UV-Vis-mätning och kalibrera spektrometern ( dvs. korrelera mätvärdenaHa standardprov för att kontrollera instrumentets noggrannhet).
- Placera EMTE-provet på spektrometerprovhållaren och justera den optiska riktningen ordentligt.
- Justera spektrometern för 100% transmittans.
OBS: Alla transmittansvärden som presenteras här normaliseras till absolut transmittans genom det nakna COC-filmsubstratet. - Mät provets transmittans.
- Spara mätningen och logga ut från inställningen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 visar schematisk och tillverkningsflödesschemat för EMTE-proverna. Som framgår av figur la , består EMTE av ett metallnät fullt inbäddat i en polymerfilm. Maskans övre yta ligger på samma nivå som substratet, vilket visar en allmänt slät plattform för efterföljande enhetsproduktion. Tillverkningstekniken förklaras schematiskt i Figur Ib - e . Efter spincoating en fotoresistfilm på ett FTO-glasunderlag används fotolithography för att skapa nätmönstret i fotoresist genom UV-exponering och utveckling ( Figur 1b ), vilket avslöjar den ledande ytan av glaset i grävningen. I det följande steget odlas respektive metall inuti skyttarna genom elektrodeposition, vilket fyller skyttarna för att bilda ett vanligt metallnät ( figur 1c Figur 1d ). Därefter placeras en polymerfilm på provet och upphettas till en temperatur som är högre än dess glasövergångstemperatur. Metallnätet pressas in i den mjuka polymerfilmen genom applicering av ett likformigt tryck ( Figur 1e ). Slutligen överförs metallnätet genom att kyla stapeln till rumstemperatur och avskaldera polymerfilmen från det ledande glaset till plastfilmen i fullständigt inbäddad form ( figur 1f ). Hela tillverkningsförfarandet är lösningsbaserat och implementeras i en omgivande atmosfär; Därför kan den lätt anpassas för massproduktion.
Figur 2 presenterar atomkraftsmikroskopi (AFM) och avsökningselektronmikroskopi (SEM) imaGes av EMTE: s morfologi vid olika tillverkningssteg i LEIT-processen. Figur 2a presenterar grävbilderna i fotoresistfilmen gjord av fotolitografi. I detta specifika prov är bredden av fotoresistgraven ungefär 4 μm, medan djupet är nästan 2 μm. Figur 2b visar det elektropläterade kopparnätet på FTO-glas. Såsom framgår av resultaten har kopparnätet en tjocklek och linjebredd av ca 1,8 respektive 4 um. Figur 2c visar det överförda kopparnätet på en COC-film 28 . AFM-bilderna bekräftar att ythårdheten hos den uppnådda EMTE (1,8 μm tjocklek) är lägre än 50 nm, vilket bekräftar dess inbäddade konfiguration. LEIT-metoden kan studeras ytterligare genom att man varierar elektrodepositionstiden för att göra koppar-EMTE med olika tjocklekar. Korrelationen av metalltjocklek och elektrodepositionstid är preseNdad i figur 2d. Kurvan som visas i figur 2d visar att metalltjockleken ändras olinjärt med en ökning i elektrodepositionstiden. Detta beror på fotoresistgraven (icke-rektangulär tvärsnitt) ( Figur 2a ), som har en smalare botten men en bredare topp. Under elektrodepositionen (konstant ström) minskar således tillväxthastigheten av metalltjocklek med tiden. Maskan har följaktligen en större bredd vid den högre delen, vilket är fördelaktigt för trycköverföring eftersom det kan förankras mekaniskt i plastfilmen.
Figur 3a- c demonstrerar den strukturella karakteriseringen av EBL-mönstrad EMTE-tillverkning vid olika steg i LEIT-processen för att validera sin dimensionsskalbarhet. Figur 3a visar AFM- och SEM-bilderna på trenenChes gjorda i PMMA-film via EBL. Grävdjupet och bredden är cirka 150 respektive 400 nm. Figur 3b visar kopparnätet elektropläterat på FTO-glas, och Figur 3c presenterar det trycköverförda kopparnätet på en COC-film. Metallnätet på COC-substratet är i helt inbäddad form, vilket ger stark vidhäftning och stabilitet med plastsubstratet.
Figur 4a visar transmittansen av koppar-EMTEs med 600 nm, 1 jim och 2 jim tjocklekar i våglängdsområdet 300-850 nm. När metallnätets tjocklek ökade från 600 nm till 2 μm, detekterades endast en minimal minskning av transmittansen, och denna droppe hänför sig till den icke-rektangulära profilen av trenchen i fotoresisten och metallöverpläteringen. Å andra sidan kan arkresistensen hos EMTEs minskas betydligt när metalltjocklekenÖkas, såsom visas i figur 4b . Ett exceptionellt lågt arkresistans på 0,07 Ω / kvm har registrerats för koppar-EMTE med en tjocklek på 2 μm, med den optiska transmittansen fortfarande högre än 70%.
Figur 4b uppvisar förhållandet mellan elektrisk ledning och optisk konduktans (o dc / o opt ), en FoM som vanligtvis används för att jämföra prestanda för TE. FoM-värdena som visas i figur 4b beräknades för olika EMTE-preparat gjorda i detta arbete genom att använda följande vanligt använda uttryck 4 , 7 , 17 , 18 : 
Där R s är arkmotståndet och T är den optiska transmittansen vid en 550 nm våglängd. Insatsen i figur 4b visar förhållandet mellan FoM och metalltjockleken. Det givna diagrammet visar att metallets tjocklek har ett signifikant inflytande på arkresistansen och därmed på värdet av FoM genom att förbättra ledningsförmågan hos ett tjockare metallnät utan att avsevärt förlora transmittansen. Prototypen EMTE uppnår FoM-värden högre än 1,5 x 10 4 , som är bland de bästa värdena som rapporteras i litteraturen.
Figur 5a visar arkmotståndet och UV-Vis-spektra av en hög transparent CMTE på COC-film (5 x 5 cm 2 ) med en tonhöjd, linjebredd och tjocklek av 150, 4 respektive 1 jim, uppvisande skalbarheten hos Den totala storleken på vår EMTE-struktur och LEIT-tillverkningsstrategin. På grund av den relativt stora tonen visar provet högre optisk transmittans (94%) medan mUppnå ett lägre arkresistens (0,93 Ω / kvadrat). På samma sätt kan många arrangemang av arkresistens och optisk transmittans uppnås för olika anordningar genom att justera EMTEs nyckelgeometriska egenskaper.
Figur 5b visar arkmotståndet och optiska transmittansspektra av EMTE i olika metaller, inklusive silver, guld, nickel och zink, för att visa mångsidigheten av materialvalet med vår EMTE. Överföringsspektra är nästan platt och featurlös över hela synliga området, vilket är fördelaktigt för displayenheter och solcellsapplikationer. Zink-, silver- och nickelbaserade EMTE har jämförbara metalltjocklekar, så alla prover har ungefär samma transmittanser (nästan 78%), medan arkresistanserna är 1,02, 0,52 respektive 1,40 Ω / kvadrat. På grund av de olika metalltjockleken är guld- och kopparbaserade EMTE (nästan 2 μm och 600 nm) har arkresistans på 0,20 och 0,70 Ω / kvadrat och transmittanser av 72% respektive 82%. Den framgångsrika produktionen av dessa EMTE bekräftade materialets mångsidighet och uppfyller därför olika krav på ledarens kemiska kompatibilitet och arbetsfunktion i olika anordningar.
Figur 6a och b presenterar överlägsen flexibilitet hos våra EMTE genom att korrelera arkmotståndet med böjcyklerna för tryck- och dragbelastningar vid radier av 3, 4 och 5 mm. Resultaten som visas i Figur 6a visar att för upppressande böjning med 4 och 5 mm rader förekommer ingen uppenbar variation i arkresistens (0,07 Ω / kvadrat) för 1000 böjningar. Även variationen i arkresistens ligger inom 100% av sitt initialvärde (från 0,07 Ω / kvadrat till 0,13 Ω / kvadrat) för 3 mm böjningsradie. På samma sätt, för dragning bSlutändningen visas variationer i arkresistens mot bockningscyklerna i figur 6b vilket indikerar att i 1,000 cykler med 3, 4 och 5 mm radier ändras arkresistanserna med nästan 350%, 150% respektive 30%. Figur 6c illustrerar miljöpåverkan hos koppar-EMTE efter nedsänkning i DI-vatten och IPA och exponering för en het och fuktig atmosfär (60 ° C, 85% relativ fuktighet). Det är uppenbart från resultaten att efter 24 h förblir de morfologiska strukturerna och arkresistanserna hos EMTEna opåverkade.
Figur 1: Schematiska diagram över EMTE-strukturen och LEIT-tillverkningsförfarandet. (A) En EMTE med metallnät inbäddad i en transparent plastfilm. ( B ) Mesh mönster gjorda i en resiSt film skiktad på ett ledande glas substrat med hjälp av litografi. ( C ) Elektrodeposition av metall inuti skytten i resisten för att tillverka ett likformigt metallnät. ( D ) Upplösning av resisten för att uppnå enbart metallnät. ( E ) Uppvärmning och pressning av metallnätet i en plastfilm. ( F ) Separering av plastfilmen och metallnätet i en helt inbäddad form. Denna siffra har ändrats från referens 29 . Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Tillverkning av prototyp 50 μm-pitch-koppar-EMTE. ( A - c ) SEM (vänster, med insatsen som visar den inzoade bilden) och AFM (Höger) karaktäriseringar av ett prov EMTE i olika steg av LEIT: ( a ) Maskmönster i fotoresisten. ( B ) Kopparnät på FTO-glaset efter upplösning av fotoresist. ( C ) Koppar mesh helt inbäddad i ett COC-substrat. ( D ) Förhållandet mellan metalltjocklek och elektrodepositionstid vid en konstant elektrodpositionsströmtäthet (3 mA / cm 2 ). Misslyckade och framgångsrika fall efter överföringen av överföringen anges med röda respektive svarta färger. Denna figur har ändrats från referens 29 . Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 3: SEM (vänster) och AFM (höger) Karakteriseringar av en PRototyp Sub-mikrometer-linewidth EMTE vid olika steg av LEIT. (A) Nanomesh-mönster gjorda i en PMMA-film med användning av EBL. ( B ) Koppar nanomesh på FTO-glaset efter upplösning av PMMA-filmen. ( C ) Koppar nanomesh helt inbäddad i ett COC-substrat. Denna siffra har ändrats från referens 29 . Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Prestandakarakterisering av prototypen 50 μm-pitch-koppar-EMTE. (A) Optiska spektra av typiska koppar-EMTE. Inset: Optisk bild av flexibel koppar EMTE. ( B ) Förhållandet mellan transmittans och arkresistens för koppar-EMTE Med olika masktjocklekar; Motsvarande FoM-värden visas i insatsen. Denna siffra har ändrats från referens 29 . Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Dimensionerbar skalbarhet och materialmultilitet hos koppar-EMTE. (A) Plåtsäkerhet och optiska spektra av ett högt transparent koppar EMTE med en höjd på 150 μm på ett stort COC-substrat (5 x 5 cm 2 ). Inset: optisk bild av det stora området EMTE. ( B ) Skivmotstånd och optiska spektra av EMM med 50 μm höjd, gjorda av olika metaller. Denna siffra har ändrats från referens 29 .P_upload / 56019 / 56019fig5large.jpg "target =" _ blank "> Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6: Mekanisk och miljömässig stabilitet hos koppar-EMTE. (A) Kurva för förändringar i arkmotstånd med upprepade tryckböjningscykler. ( B ) Kurva för förändringar i arkmotstånd med upprepade dragböjningscykler. ( C ) Förändringar i arkresistens vid miljö- och kemiska test. Innehåll: SEM-bilder efter testen. Denna siffra har ändrats från referens 29 . Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vår tillverkningsmetod kan modifieras ytterligare för att möjliggöra skalbarhet av särdragsstorleken och områdena i provet och användningen av olika material. Den framgångsrika tillverkningen av sub-mikrometerlinjebredd ( Figur 3a-3c ) koppar EMTE med EBL visar att EMTE-strukturen och nyckelstegen i LEIT-tillverkning, inklusive elektroplätering och trycköverföring, kan minskas tillförlitligt till ett sub-mikrometerområde. På liknande sätt kan andra processer för storområdets litografi, såsom fasskiftfotolitografi 30 , nanoimprint-litografi 31 och laddad partikelstrållitografi 32 , också användas för att skapa högupplösta mönster i resistfilmen. Den elektrodepositionsprocess som används i vår demonstration baseras på en laboratorieskala. Vår metod kan emellertid lätt modifieras till ett industriellt skalat, stort genomströmningsbeläggningsbad för produktion. Vi använde therMalimportöverföring i demonstrationen, men andra material som kan härdas med ultraviolett eller annat sätt kan också appliceras på överföringsprocessen.
När vi utför vår metod kan vissa problem uppstå. Metallnätets tjocklek, såväl som dess geometriska profil, är kritisk för konsekvent LEIT-tillverkning av EMTE. Kurvan som visas i Figur 2d visar att överföringarna var framgångsrika endast för tjockare maskor ( dvs. en tjocklek större än 500 nm). Anledningen till de misslyckade överföringarna är att den applicerade fångstkraften hos COC-filmen på den övre ytan och sidoväggen av tunnare metallnät enkelt kunde inte motverka vidhäftningskraften mellan metall- och FTO-glaset.
Det finns begränsningar för vår nuvarande metod. Trots att LEIT är ett kostnadseffektivt tillvägagångssätt för att ersätta vakuumbaserad metallavsättning med en elektropläteringsprocess för tillverkning av EMTE, omfattar den en obligatorisk litografiPhy steg när du gör varje prov. Detta begränsar dess lämplighet för hög genomströmning och stor volym industriell produktion. Vårt framtida arbete kommer att vara inriktat på att ta itu med denna viktiga fråga.
Med bättre prestanda till en lägre kostnad och hög genomströmningsstrategi har vår EMTE ett brett utbud av applikationer i flexibla optoelektroniska enheter, såsom organiska solceller 33 , organiska ljusdioder 34 , organiska tunnfilmstransistorer 35 , flexibla Genomskinliga pekskärmar 10 , etc. Vidare kan nätet användas i konstgjord hud genom att överföra den till sträckbara substrat. För närvarande undersöker vi dess lämplighet i töjbara elektroniska enheter. Faktum är att dess prestanda lovar i sådana applikationer.
Sammanfattningsvis presenterar vi nya EMTE, där metallnätet är mekaniskt förankrat i en polymerfilm. ComparUtgjorda till befintliga metallnätelektroder, är den viktigaste fördelen med denna EMTE-struktur att den använder ett tjockt metallnät för högre elektrisk ledningsförmåga utan att förlora ytans flathet. EMTE: erna tillverkas för att åstadkomma ett förhållande av elektrisk till optisk konduktans av mer än 10 4 , vilket är bland de högsta av de TE 29 som rapporterats i litteraturen. Vidare förbättrar den inbäddade strukturen den kemiska stabiliteten hos EMTE i en omgivande atmosfär och den mekaniska stabiliteten under böjspänning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har ingenting att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes delvis av generaldirektoratet för forskningsbidragsrådet i Hongkongs särskilda administrativa region (pris nr 17246116), ungdomsprogrammet från National Natural Science Foundation of China (61306123), Basic Research Program- Allmän Program från Vetenskap och Teknik Innovation Commission of Shenzhen Kommun (JCYJ20140903112959959), och Key Research and Development Program från Zhejiang Provincial Institutionen för vetenskap och teknik (2017C01058). Författarna vill tacka Y.-T. Huang och SP Feng för deras hjälp med de optiska mätningarna.
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).
