Method Article

Strategia di Fabbricazione elaborata in soluzione scalabile per elettrodi ad alte prestazioni, flessibili e trasparenti con maglia metallica incorporata

DOI:

10.3791/56019

⸱

June 23rd, 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical Engineering, University of Hong Kong, 2Department of Mechanical Engineering, University of Michigan, 3Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of Michigan, 4Department of Chemistry, University of Hong Kong, 5HKU-Shenzhen Institute of Research and Innovation

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Questo protocollo descrive una strategia di fabbricazione basata sulla soluzione per elettrodi ad alte prestazioni, flessibili e trasparenti con maglie di metallo completamente incorporate. Gli elettrodi trasparenti flessibili fabbricati da questo processo dimostrano tra le più elevate prestazioni riportate, tra cui la resistenza alla lastra ultra-bassa, l'elevata trasmittanza ottica, la stabilità meccanica in curva, una forte adesione del substrato, la morbidezza della superficie e la stabilità ambientale.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Qui gli autori riportano l'elettrodo trasparente (EMTE) metallico incorporato, un nuovo elettrodo trasparente (TE) con una maglia metallica completamente incorporata in un film polimerico. Questo documento presenta anche un metodo di fabbricazione a basso costo senza vuoto per questa nuova TE; L'approccio combina la lavorazione litografica, elettrolitica e trasferimento impronta (LEIT). La natura incorporata delle EMTE offre molti vantaggi, ad esempio la lisciezza superficiale, essenziale per la produzione di dispositivi elettronici organici; Stabilità meccanica superiore durante la curvatura; Favorevole resistenza alle sostanze chimiche e all'umidità; E forte adesione con pellicola in plastica. La fabbricazione di LEIT prevede un processo di galvanizzazione per la deposizione di metalli privi di vuoto e favorisce la produzione di massa industriale. Inoltre, LEIT consente la realizzazione di maglie metalliche ad elevato rapporto di aspetto ( cioè spessore con larghezza di linea), migliorando notevolmente la conducibilità elettrica senza perdere negativamente le prestazioni otticheansmittance. Abbiamo dimostrato diversi prototipi di EMTE flessibili, con resistenze in fogli inferiori a 1 Ω / sq e trasmittanze superiori al 90%, con conseguente elevate figure di merito (FoM) - fino a 1,5 x 10 4 - che sono tra i migliori valori del Letteratura pubblicata.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

In tutto il mondo sono stati condotti studi per cercare sostituzioni di ossidi di stagno trasparente rigidi (TCO) come ossido di stagno di indio e fi lms di ossido di stagno drogato con fluoro, al fine di realizzare TEs flessibili / estensibili da utilizzare in futuri flessibili / Dispositivi optoelettronici estensibili 1 . Ciò richiede nuovi materiali con nuovi metodi di fabbricazione.

Sono stati studiati i nanomateriali, quali il grafene 2 , i polimeri conduttori 3 , 4 , i nanotubi di carbonio 5 e le reti a nastro random metalliche 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 e hanno dimostrato le proprie capacità in TE flessibili, affrontando le carenze di Esistenti TE-based TCO, Inclusa la fragilità della fi lma 12 , la bassa trasmittanza a infrarossi 13 e la bassa abbondanza 14 . Anche con questo potenziale, è ancora difficile raggiungere una elevata conducibilità elettrica ed ottica senza deteriorarsi in continua flessione.

In questo quadro, le linee metalliche regolari 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 si stanno evolvendo come un promettente candidato e hanno compiuto una trasparenza ottica notevolmente elevata e una bassa resistenza del foglio che può essere regolabile su richiesta. Tuttavia, l'uso estensivo di TEs a base di metallo è stato ostacolato a causa di numerose sfide. In primo luogo, la fabbricazione spesso coinvolge la costosa deposizione a base di vuoto dei metalli 16 , 17 , 18 , 21 . In secondo luogo, lo spessore può facilmente causare cortocircuiti elettrici 22 , 23 , 24 , 25 in dispositivi optoelettronici a film sottile. In terzo luogo, la debole adesione con la superficie del substrato produce una scarsa flessibilità 26 , 27 . Le limitazioni summenzionate hanno creato una richiesta di nuove strutture TE a base di metallo e approcci scalabili per la loro fabbricazione.

In questo studio, riportiamo una nuova struttura di TE flessibili che contiene una maglia metallica completamente incorporata in un film polimerico. Descriviamo anche un approccio innovativo, basato su soluzioni e basso costo che combina litografia, elettrodeposizione e trasferimento impronta. I valori di FoM fino a 15k sono stati raggiunti sulle EMTE di campionamento. A causa della natura incorporata diLe EMTE, notevoli stabilità chimica, meccanica e ambientale sono state osservate. Inoltre, la tecnica di fabbricazione elaborata nella soluzione stabilita in questo lavoro può essere potenzialmente utilizzata per la produzione a basso costo e ad alto rendimento delle EMTE proposte. Questa tecnica di fabbricazione è scalabile alle più grandi linee di maglie metalliche, aree più grandi e una gamma di metalli.

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ATTENZIONE: prestare attenzione alla sicurezza del fascio di elettroni. Indossare indumenti protettivi e vestiti corretti. Inoltre, gestire attentamente tutti i solventi e le soluzioni infiammabili.

1. Fabbricazione basata sulla fotolitografia dell'EMTE

  1. Fotolitografia per la fabbricazione del reticolo della maglia.
    1. Pulire i supporti in vetro FTO (3 cm x 3 cm) con detersivo liquido utilizzando tampone di cotone. Sciacquare accuratamente con acqua deionizzata (DI) utilizzando un tampone di cotone pulito. Pulire ulteriormente con ultrasuoni (frequenza = 40 kHz, temperatura = 25 ° C) in alcool isopropilico (IPA) per 30 s prima di essiccarli con aria compressa.
      ATTENZIONE: Maneggiare con cura l'aria compressa.
    2. Spincoat 100 μL del fotoresist sul vetro FTO pulito per 60 s a 4000 rpm (circa 350 xg per campioni con un raggio di 2 cm) per ottenere una pellicola uniforme di 1,8 μm.
    3. Cuocere la pellicola fotoresistente su una piastra elettrica per 50 sec100 ° C.
    4. Esporre la pellicola fotoresistente attraverso una maschera fotometrica con un reticolo di maglia (larghezza di 3 μm, passo di 50 μm) usando un allineatore maschera UV per una dose di 20 mJ / cm 2 .
    5. Sviluppare il fotoresist immergendo il campione nella soluzione sviluppatore per 50 s.
    6. Sciacquare il campione in acqua di DI e asciugarlo con aria compressa.
      ATTENZIONE: Maneggiare con cura l'aria compressa.
  2. Elettrodeposizione di metalli.
    1. Versare 100 ml di soluzione di placcatura acquosa di rame in un bicchiere da 250 ml.
      NOTA: altre soluzioni di placcatura acquosa ( ad esempio, argento, oro, nichel e zinco) possono essere utilizzate per la fabbricazione di EMTE con i rispettivi metalli.
      ATTENZIONE: prestare attenzione alla sicurezza chimica.
    2. Collegare il vetro FTO rivestito con fotoresistore al terminale negativo della configurazione elettrodeposizione a due elettrodi e immergerlo nella soluzione di placcatura come elettrodo di lavoro.
    3. Collegare la barra di metallo in rameAl terminale positivo dell'elettrodeposizione di due elettrodi come elettrodo di conteggio.
    4. Fornire una corrente costante di 5 mA (densità di corrente: ~ 3 mA / cm 2 ) usando uno strumento di sourcing e misurazione di tensione / corrente ( es. Sourcemeter) per 15 minuti per depositare il metallo allo spessore di circa 1,5 μm.
    5. Risciacquare accuratamente il campione di vetro FTO rivestito con fotoresistente con acqua DI e asciugarlo con aria compressa.
      ATTENZIONE: Maneggiare con cura l'aria compressa.
    6. Posizionare il campione di vetro FTO rivestito con fotoresist in acetone per 5 minuti per sciogliere il film fotoresistivo, con la maglia metallica nuda sulla parte superiore del vetro FTO.
  3. Trasferimento termico della maglia metallica al supporto flessibile.
    1. Posizionare il campione di vetro FTO ricoperto di maglie metalliche sulle piastre riscaldate elettricamente dell'imprinter termico e inserire un film copolimero ciclico copolimero ciclico (COC) di 100 μm sopra il campione, rivolto verso l'altoIl lato della maglia metallica.
    2. Scaldare le lastre della pressa riscaldata a 100 ° C.
    3. Applicare 15 MPa di pressione d'impronta e tenerlo per 5 min.
      ATTENZIONE: prestare attenzione alla sicurezza quando si utilizza la pressa riscaldata.
      NOTA: il trasferimento di impronta può essere effettuato ad una pressione più bassa; Il valore di pressione (15 MPa) riportato qui è relativamente alto. Questa alta pressione è stata utilizzata per garantire che la maglia metallica sia stata completamente incorporata nel film COC.
    4. Raffreddare le piastre riscaldate alla temperatura di deformazione di 40 ° C.
    5. Rilasciare la pressione dell'impronta.
    6. Scorri la pellicola COC dal vetro FTO, con la maglia metallica interamente incorporata nel film COC.

2. Fabbricazione delle EMTE sub-microniche

  1. Fabbricazione delle EMTE sub-micron usando la litografia a fascio di elettroni (EBL).
    1. Spincoat 100 μL di soluzione polimetilmetacrilato (PMMA) (15k MW, 4% in peso in anisole) sul vetro FTO pulito per 60 sec.T 2,500 giri / min (circa 140 xg per campioni con un raggio di 2 cm) per ottenere una pellicola uniforme di 150 nm.
    2. Cuocere la pellicola PMMA su una piastra per 30 minuti a 170 ° C.
    3. Attivare il sistema EBL e progettare il modello a maglie (larghezza di linea a 400 nm, passo di 5 μm) utilizzando un generatore di pattern 29 .
    4. Posizionare il campione in un microscopio elettronico di scansione collegato al generatore di pattern e eseguire il processo di scrittura 29 .
    5. Sviluppare la resistenza per 60 s in una soluzione mista di isopropil-chetone metilico e isopropanolo ad un rapporto 1: 3.
    6. Sciacquare il campione con acqua DI e asciugarlo con aria compressa.
      ATTENZIONE: Maneggiare con cura l'aria compressa.
    7. Posizionare 100 ml della soluzione di placcatura acquosa di rame in un bicchiere di medie dimensioni.
      NOTA: Per la fabbricazione di EMTE con i rispettivi metalli devono essere utilizzate altre soluzioni di placcatura acquosa (per esempio, soluzioni di argento, oro, nichel e zincatura)./ Li>
    8. Fissare il vetro FTO rivestito in PMMA al morsetto negativo della configurazione elettrodeposizione a due elettrodi, immergerlo nella soluzione di placcatura come elettrodo di lavoro e collegare la barra metallica in rame al terminale positivo per completare il circuito.
      NOTA: Per le rispettive elettrodeposizionature di metallo devono essere utilizzate altre barre di metallo (ad esempio argento, oro, nichel e zinco).
    9. Applicare una corrente adatta, corrispondente ad una densità di corrente di circa 3 mA / cm 2 , alla regione del reticolo della maglia per 2 min per depositare il metallo allo spessore di circa 200 nm (lo spessore effettivo deve essere determinato da SEM o AFM).
    10. Lavare con cautela il campione con acqua DI e metterlo in acetone per 5 minuti per sciogliere la pellicola PMMA.
    11. Mettere il campione di vetro FTO ricoperto di maglie metalliche sulle piastre riscaldate elettricamente del imprinter termico e collocare una pellicola COC (100 μm di spessore) sopra il campione.
    12. Scaldare le piastre a 100 ° C, applicare un 15Pressione MPa impronta, e tenerlo per 5 min.
    13. Raffreddare le piastre riscaldate alla temperatura di deformazione di 40 ° C e rilasciare la pressione di impronta.
    14. Sbucciate la pellicola COC dal vetro FTO, insieme a una maglia di metallo di questo tipo, completamente incorporata nel film COC.

3. Valutazione delle prestazioni delle EMTE

  1. Misura della resistenza del foglio.
    1. Spalmare la colla d'argento su due spigoli opposti del campione quadrato e aspettare che si asciughi.
    2. Posizionare con cautela le quattro sonde del dispositivo di misura della resistenza sui tamponi d'argento, seguendo le istruzioni sull'apparecchiatura.
    3. Passare alla modalità di misura della resistenza dello strumento di misura / misurazione e registrare il valore sul display.
  2. Misura della trasmissione ottica.
    1. Attivare l'impostazione della misura UV-Vis e calibrare lo spettrometro ( cioè, correlare le lettureHa campione standard per verificare l'esattezza dello strumento).
    2. Posizionare il campione EMTE sul supporto campione dello spettrometro e allineare correttamente la direzione ottica.
    3. Regolare lo spettrometro per la trasmissione 100%.
      NOTA: Tutti i valori di trasmissione qui presentati sono normalizzati alla trasmissione assoluta attraverso il substrato di film COC nudo.
    4. Misurare la trasmittanza del campione.
    5. Salvare la misura e l'uscita della configurazione.

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La figura 1 mostra il diagramma di flusso schema e di fabbricazione dei campioni EMTE. Come illustrato nella figura 1a , l'EMTE è costituito da una maglia metallica completamente incorporata in un film polimerico. La faccia superiore della maglia è allo stesso livello del substrato, mostrando una piattaforma generalmente liscia per la successiva produzione di dispositivi. La tecnica di fabbricazione è schematicamente illustrata ...

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Discussion

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Il nostro metodo di fabbricazione può essere ulteriormente modificato per consentire la scalabilità delle dimensioni e delle aree del campione e per l'utilizzo di vari materiali. La fabbricazione con successo di sottomicroimma-linewidth ( Figura 3a-3c ) di rame EMTE usando EBL dimostra che la struttura EMTE e le fasi chiave nella fabbricazione di LEIT, tra cui l'elettroplatura e il trasferimento di impronta, possono essere affidabilmente scalati fino ad un sotto-micrometro. Allo...

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gli autori non hanno niente da rivelare.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Questo lavoro è stato parzialmente sostenuto dal Fondo di Ricerca Generale del Consiglio di Grants Research della Regione Amministrativa Speciale di Hong Kong (premio n. 17246116), il programma Young Scholar del National Science Foundation of China (61306123) Programma Generale della Commissione per l'Innovazione Scienza e Tecnologia del Comune di Shenzhen (JCYJ20140903112959959), e il Programma chiave di Ricerca e Sviluppo del Dipartimento Provinciale della Scienza e della Tecnologia di Zhejiang (2017C01058). Gli autori vorrebbero ringraziare Y.-T. Huang e SP Feng per il loro aiuto con le misure ottiche.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
AcetoneSigma-AldrichW332615Isopropanolo altamente infiammabile
Sigma-Aldrich190764
Substrati di vetro FTOmeridionale Xiang S & T, Cina
PhotoresistClariant, Svizzera54611L11AZ 1500 Tono positivo resist (20cP)
Allineatore maschera UV Accademiacinese delle scienze, CinaURE-2000/35
Photoresist DeveloperClariant, Svizzera184411AZ 300 MIF
Developer Cu, Ag, Au, Ni e Zn Soluzioni galvanicheCaswell, USASoluzioni pronte all'uso (PLUG N' PLATE)
Keithley 2400 SourceMeterKeithley, USA41J2103
COC Plastic FilmsTOPAS, GermaniaF13-19-1Grado 8007 (Temperatura di transizione vetrosa: 78 ° C)
Pressa idraulicaSpecac Ltd., Regno UnitoGS15011Con kit a basso tonnellaggio (calibro 0-1 tonnellata)
Regolatore di temperaturaSpecac Ltd., Regno UnitoGS15515Piastre riscaldate raffreddate ad acqua e controller
ChillerGrant Instruments, Regno UnitoT100-ST5
Polimetilmetacrilato (PMMA)Sigma-Aldrich200336
AnisoleSigma-Aldrich96109altamente infiammabile
Philips, Paesi BassiFEI XL30Microscopio elettronico a scansione dotato di un generatore di pattern JC Nabity  
Chetone isopropilicoSigma-Aldrich108-10-1
pasta d'argentoTed Pella, Inc, USA16031
UV– Spettrometro VisPerkin Elmer, USAL950
altamente infiammabili Cina Configurazione EBL

References

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