埋め込み金属メッシュを用いた高性能で柔軟で透明な電極のための拡張可能なソリューション処理製作戦略

本手順の目的は、リソグラフィー、電気析出、およびインプリント転写を組み合わせた溶液ベースの作製プロセスを用いて、自己固定され完全に埋め込まれたマイクロメタルメッシュを有する、高性能で柔軟な透明導電膜を作製することです。このメッシュは、非平坦な表面トポグラフィー、低い作製スループット、および高い製造コストなど、将来のメタルメッシュベースのフレキシブル電子デバイスが直面する主要な課題の解決に寄与します。埋め込み型メタルメッシュは、極めて重要な自己平滑性、機械的安定性、高い耐耐熱ストレス、柔軟な基板への強力な密着性、ならびに水分、酸素、化学物質に対する耐性などの多くの利点を提供します。

本プロセスでは、溶液ベースの電気めっきによる金属堆積を用います。これは、量産や低コスト生産など、高スループットを追求するのに適した簡便な手法です。私のグループは、自作の電子ビームリソグラフィーシステムを用いて400ナノメートルのメタルメッシュをパターニングし、メタルメッシュ作製プロセスの寸法安定性を検証することで、Wendy Lee博士のグループを支援しました。アシスタントのXiong Zeが、電子ビームパターニングのプロセスを実演します。

EMTEの作製を開始するために、3 cm × 3 cmのフローリンドープ酸化スズ（FTO）コートガラスを、液体洗剤と綿棒で洗浄します。ガラス基板を脱イオン水で十分にすすぎ、別の綿棒で洗剤の残りを除去します。FTOガラスをイソプロパノールに入れ、40 kHzで30秒間超音波洗浄します。

次に、洗浄したガラスを圧縮空気で乾燥させます。続いて、洗浄し乾燥させたFTOガラスをスピンコーターにセットし、ポジ型フォトレジストを100 µL滴下します。4,000 RPMで60秒間スピンコートし、厚さ1.8 µmの薄膜を形成します。

コーティングしたガラスを100 °Cで50秒間焼き付けます。コーティングしたガラスをメッシュパターンのマスクで覆い、20 mJ/cm²の放射フルエンスに達するまで十分なUV光をフォトレジストに照射します。その後、コーティングしたガラスを適切な現像液に50秒間浸漬し、露光されたフォトレジストを除去します。

サンプルを脱イオン水ですすぎ、圧縮空気の気流で乾燥させます。次に、250 mLのビーカーに100 mLの銅電解メッキ液を入れます。サンプルをメッキ液に浸します。

それを2電極電析装置の負極に接続します。次に、銅棒を装置の正極に接続します。5 mAの定電流を15分間流し、電流密度3 mA/cm²で、試料上に厚さ1.5 µmの銅層を析出させます。

クロケーティングは、作製における極めて重要な工程です。電流密度と電気めっき時間は、金属メッシュの形態および最終的な性能に影響するため、各自のサンプルを用いて試験および最適化を行う必要があります。電気めっきしたサンプルを脱イオン水で十分に洗浄し、圧縮空気の流れで乾燥させてください。

サンプルをアセトンに5分間浸し、残ったフォトレジストを溶解させて、FTOガラス表面に金属メッシュのみが残るようにします。脱イオン水で洗浄し、圧縮空気でサンプルを乾燥させます。次に、金属メッシュを上にして、サンプルを油圧プレスのプラテンの上に配置します。

ガラス転移点78 °Cの厚さ100 µmの環状オレフィン共重合体フィルムでサンプルを覆います。プラテンを100 °Cまで加熱し、次に15 mPaのインプリント圧力をサンプルに5分間印加します。インプリント圧力を解除する前に、プラテンを40 °Cまで冷却します。

インプリント転写工程において、圧力と温度は極めて重要な関心事です。完全な転写が行われるよう、インプリントによる圧力が均一で、かつ十分に高いことを確認してください。温度は、基材のガラス転移点よりも約 20 度高く設定する必要があります。

ポリマーフィルムに埋め込まれたメッシュをFTOガラス表面から慎重に剥がし、EMTEを得ます。サブミクロンEMTEの作製を開始するには、3 cm × 3 cmのFTOガラス片を液体洗剤と脱イオン水で洗浄し、続いてイソプロパノール中で超音波洗浄を行います。洗浄し乾燥させたFTOガラスをスピンコーターにセットし、100 µLの4 wt% PMMA/アナストール溶液を塗布します。

ガラスを2500 RPMで60秒間スピンコートし、厚さ150 nanometerの薄膜を形成します。この膜を170 degrees Celsiusで30分間ベイクした後、電子ビームリソグラフィーシステムを起動し、パターンジェネレーターでメッシュパターンを作成します。サンプルを電子ビームリソグラフィーシステムに設置し、パターニング工程を実行します。

メチルイソプロピルケトンとイソプロパノールの1:3混合液に60秒間浸漬し、PMMAを現像します。パターン形成したサンプルを脱イオン水で洗浄し、圧縮空気気流下で乾燥させます。次に、パターン形成したサンプルを銅電解メッキ液に入れ、2電極電析装置の負極にサンプルを接続します。

正極を銅製の金属バーに接続します。定電流を印加し、電流密度 3 mA/cm² で 2 分間処理することで、試料上に 200 nm の銅を電析させます。試料を脱イオン水で洗浄し、アセトンに 5 分間浸漬して PMMA を溶解させます。

次に、サンプルを油圧プレスのプラテン上に配置します。ガラス転移温度が78 °Cの厚さ100 micronの環状オレフィン共重合体フィルムでサンプルを覆います。プラテンを100 °Cに加熱し、15 millipascalsの転写圧力を5分間加えます。

圧力を解放する前に、プラテンを40 °Cまで冷却します。FTOガラスからフィルムを慎重に剥がし、サブミクロンEMTEを得ます。シート抵抗測定を開始するには、まずEMTEの反対側のエッジに銀ペーストを塗布し、ペーストを乾燥させます。

デバイス製造元の指示に従い、シート抵抗測定装置の4つのプローブをシルバーペーストのライン上に配置します。シート抵抗を測定し、記録してください。光透過率測定を行うには、まず、透過率100%に設定し校正済みのUV-vis分光光度計のサンプルホルダーにEMTEを設置します。

サンプルをビームに対して垂直に配置します。EMTEの透過スペクトルを取得し、電極透過性を評価します。電極特性に対するグリッド形状の影響を評価するため、さまざまなグリッドパターンを用いて銅製EMTEを作製しました。

550ナノメートルにおける銅EMTEの電気伝導度と光学伝導度の比は1.5 × 10⁴を超えました。メッシュが厚くなるほど、光学透過率およびシート抵抗は低下しました。また、ピッチが大きくなるほど、シート抵抗および透過率は上昇しました。

50 µmピッチのメッシュを用いて、さまざまな金属でEMTEを作製したところ、すべてにおいて平坦で特徴のない透過スペクトルが得られました。メッシュの厚さと透過率の間に同様の関係があるため、メッシュの形状と組成を調整することで、透過率とシート抵抗をまず制御することが可能です。銅製EMTEのシート抵抗について、圧縮および引張曲げ試験を用いて評価を行いました。

4 mmおよび5 mmの圧縮曲げ試験では、有意な変化は観察されませんでした。引張曲げ試験では、シート抵抗が徐々に増加しました。水、イソプロパノール、または高温高湿環境に24時間曝露しても、劣化およびシート抵抗の変化は観察されませんでした。

新入学生であっても、数日でこの技術を習得することが可能です。一度習得すれば、作製プロセス全体を2〜3時間で完了させることができ、装置を準備できます。この手法は、スケーラブルな溶液プロセス作製法を用いて、柔軟な基板に埋め込まれた自己固定型高アスペクト比マイクロメタルメッシュのような、新規のマイクロ・ナノ構造デバイスを開発するための道を開くものです。

タッチパネル、変位センサ、太陽電池などの多くのアプリケーションにおいて、当社の高性能な組み込みメタルメッシュ透明電極を活用することができます。このビデオを視聴することで、この溶液ベースの作製プロセスを用いてメタルメッシュ透明電極を製造する方法について十分に理解できるはずです。ご視聴ありがとうございました。共同研究のお問い合わせをお待ちしております。