Summary
Denne protokollen beskriver en løsningsbasert fabrikasjonsstrategi for høyytende, fleksible, gjennomsiktige elektroder med fullt innebygd, tykt metallnett. Fleksible gjennomsiktige elektroder som er fremstilt ved denne prosessen, viser blant de høyest rapporterte forestillinger, inkludert ultra-lavt arkmotstand, høy optisk transmittans, mekanisk stabilitet under bøyning, sterk substratadhesjon, overflatejevnhet og miljøstabilitet.
Abstract
Her rapporterer forfatterne den innebygde metallgjennomskinnelige gjennomsiktige elektroden (EMTE), en ny gjennomsiktig elektrode (TE) med et metallnett fullstendig innebygd i en polymerfilm. Dette papiret presenterer også en billig, vakuumfri produksjonsmetode for denne nye TE; Tilnærmingen kombinerer litografi, elektroplating og overtrykksoverføring (LEIT) prosessering. EMTE-embedded-karakteren gir mange fordeler, for eksempel høy overflatejevnhet, noe som er avgjørende for organisk produksjon av elektronisk utstyr; Overlegen mekanisk stabilitet under bøyning; Gunstig motstand mot kjemikalier og fuktighet; Og sterk vedheft med plastfilm. LEIT-fabrikasjon har en galvaniseringsprosess for vakuumfri metallavsetning og er gunstig for industriell masseproduksjon. Videre tillater LEIT å fremstille metallnett med et høyt aspektforhold ( dvs. tykkelse til linjebredde), betydelig forbedring av sin elektriske konduktans uten å negativt miste optisk transmittance. Vi demonstrerer flere prototyper av fleksible EMTEer, med arkresistanser lavere enn 1 Ω / kvadrat og overføringer større enn 90%, noe som resulterer i svært høye verdifall (FoM) - opp til 1,5 x 10 4 - som er blant de beste verdiene i Publisert litteratur.
Introduction
Over hele verden blir det gjennomført studier for å lete etter erstatninger for stive transparente ledende oksider (TCOs), for eksempel indiumtennoksid og fluor-dopet tinnoksid (FTO) fi lms, for å fremstille fleksible / tøybare TE som skal brukes i fremtidig fleksibel / Strekkbare optoelektroniske enheter 1 . Dette krever nye materialer med nye fabrikasjonsmetoder.
Nanomaterialer, slik som grafen 2 , ledende polymerer 3 , 4 , karbonnanorør 5 og tilfeldige metallnettetråder 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , har blitt studert og har demonstrert deres evner i fleksible TE, som retter seg mot manglene i Eksisterende TCO-baserte TE, Inkludert fiam-sårbarhet 12 , lav infrarød transmittans 13 og lav overflod 14 . Selv med dette potensialet er det fortsatt utfordrende å oppnå høy elektrisk og optisk konduktans uten forringelse under kontinuerlig bøyning.
I dette rammeverket utvikler vanlige metallnett 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 som en lovende kandidat og har oppnådd bemerkelsesverdig høy optisk gjennomsiktighet og lavt arkmotstand, som kan justeres på etterspørsel. Imidlertid har den omfattende bruken av metallnettbaserte TE'er blitt forhindret på grunn av utallige utfordringer. For det første innebærer fremstilling ofte den dyre, vakuumbaserte avsetningen av metaller 16 , 17 , 18 , 21 . For det andre kan tykkelsen lett forårsake elektrisk kortslutning 22 , 23 , 24 , 25 i tynnfilm organiske optoelektroniske enheter. For det tredje resulterer den svake adhesjonen med substratoverflaten i dårlig fleksibilitet 26 , 27 . Ovennevnte begrensninger har skapt en etterspørsel etter nye metallnettbaserte TE-strukturer og skalerbare tilnærminger for deres fabrikasjon.
I denne studien rapporterer vi en ny struktur av fleksible TE'er som inneholder et metallnett fullstendig innebygd i en polymerfilm. Vi beskriver også en nyskapende, løsningsbasert og billig produksjonstilnærming som kombinerer litografi, elektrodeposisjon og overføringsoverføring. FoM-verdier så høye som 15 k har blitt oppnådd på prøve-EMTE. På grunn av den innebygde naturen avEMTEer, bemerkelsesverdig kjemisk, mekanisk og miljømessig stabilitet ble observert. Videre kan den løsningsbehandlede fabrikasjonsteknikken som er etablert i dette arbeidet potensielt brukes til lavpris og høy gjennomstrømningsproduksjon av de foreslåtte EMTEene. Denne fabrikasjonsteknikken er skalerbar til finere metall-mesh linewidths, større områder og en rekke metaller.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
FORSIKTIG: Vær oppmerksom på elektronstrålesikkerhet. Vennligst bruk riktig beskyttelsesbriller og klær. Håndter også alle brannfarlige løsningsmidler og løsninger nøye.
1. Fotolithography-basert Fabrication av EMTE
- Fotolitografi for fremstilling av maskemønsteret.
- Rengjør FTO glassubstratene (3 cm x 3 cm) med flytende vaskemiddel ved hjelp av bomullspinne. Skyll dem grundig med deionisert (DI) vann ved hjelp av en ren bomullspinne. Videre rengjør dem ved bruk av ultralydbehandling (frekvens = 40 kHz, temperatur = 25 ° C) i isopropylalkohol (IPA) i 30 s før de tørkes med komprimert luft.
FORSIKTIG: Håndter komprimert luft forsiktig. - Spincoat 100 μL av fotoresisten på det rengjorte FTO-glasset i 60 s ved 4.000 rpm (ca. 350 xg for prøver med en radius på 2 cm) for å få en 1,8 μm tykk, ensartet film.
- Bake fotoresistfilmen på en kokeplate i 50 s på100 ° C.
- Utslipp fotoresistfilmen gjennom en fotomaske med et maskemønster (3 μm linjebredde, 50 μm tonehøyde) ved hjelp av en UV-maskeringslinje for en dose på 20 mJ / cm 2 .
- Utvikle fotoresist ved å nedsenke prøven i utviklerløsningen i 50 s.
- Skyll prøven i DI vann og tørk det med trykkluft.
FORSIKTIG: Håndter komprimert luft forsiktig.
- Rengjør FTO glassubstratene (3 cm x 3 cm) med flytende vaskemiddel ved hjelp av bomullspinne. Skyll dem grundig med deionisert (DI) vann ved hjelp av en ren bomullspinne. Videre rengjør dem ved bruk av ultralydbehandling (frekvens = 40 kHz, temperatur = 25 ° C) i isopropylalkohol (IPA) i 30 s før de tørkes med komprimert luft.
- Elektrodeposisjon av metaller.
- Hell 100 ml kobber vandig plating løsning i et 250 ml beger.
MERK: Andre vandige platingløsninger ( f.eks. Sølv, gull, nikkel og sink) kan brukes til fremstilling av EMTE med de respektive metallene.
FORSIKTIG: Vær oppmerksom på kjemikaliesikkerhet. - Koble det fotoresist-dekkede FTO-glasset til den negative terminalen til elektrodeoppsettet for to elektroder og senk det i plateringsløsningen som arbeidselektroden.
- Koble kobbermetallestangenTil den positive terminalen til elektrodeoppsettet for to elektroder som telleelektroden.
- Tilfør en konstant 5 mA strøm (strøm tetthet: ~ 3 mA / cm 2 ) ved hjelp av et spennings / strømkilde og måleinstrument ( f.eks. Sourcemeter) i 15 minutter for å sette metallet til en tykkelse på ca. 1,5 μm.
- Skyll forsiktig den fotoresistbelagte FTO-glassprøven med DI-vann og tørk det med trykkluft.
FORSIKTIG: Håndter komprimert luft forsiktig. - Plasser fotoresistbelagt FTO-glassprøve i acetone i 5 minutter for å oppløse fotoresistfilmen, med det blanke metallnettverket på toppen av FTO-glasset.
- Hell 100 ml kobber vandig plating løsning i et 250 ml beger.
- Termisk trykkoverføring av metallnettverket til det fleksible underlaget.
- Plasser metallmontert FTO-glassprøve på de elektrisk oppvarmede platene av termisk imprater og sett en 100 μm tykk fleksibel syklisk olefin-kopolymer (COC) film på toppen av prøven, vendt motMetall mesh side.
- Varm platene på det oppvarmede trykket til 100 ° C.
- Påfør 15 MPa trykktrykk og hold den i 5 minutter.
FORSIKTIG: Vær oppmerksom på sikkerhet når du bruker oppvarmet trykk.
MERK: Imprintoverføringen kan gjøres ved lavere trykk; Trykkverdien (15 MPa) som er rapportert her, er relativt høy. Dette høytrykk ble brukt for å sikre at metallnettverket var fullt integrert i COC-filmen. - Kjøl de oppvarmede platene til demonteringstemperaturen på 40 ° C.
- Slip avtrykkstrykket.
- Skal av COC-filmen fra FTO-glasset, med metallnettet helt innebygd i COC-filmen.
2. Fremstilling av sub-mikron EMTEer
- Fremstilling av sub-mikron EMTEer ved hjelp av elektronstråle-litografi (EBL).
- Spincoat 100 μL polymetylmetakrylat (PMMA) løsning (15k MW, 4 vekt% i anisol) på det rengjorte FTO glasset for 60 saT 2500 rpm (ca. 140 xg for prøver med en radius på 2 cm) for å oppnå en 150 nm tykk, ensartet film.
- Bake PMMA-filmen på en kokeplate i 30 minutter ved 170 ° C.
- Slå på EBL-systemet og designe nettmønsteret (400 nm linjebredde, 5 μm tonehøyde) ved hjelp av en mønstergenerator 29 .
- Plasser prøven i et skanningelektronmikroskop koblet til mønstergeneratoren og utfør skriveprosessen 29 .
- Utvik resistoren i 60 s i en blandet oppløsning av metylisopropylketon og isopropanol i forholdet 1: 3.
- Skyll prøven med DI vann og tørk det med trykkluft.
FORSIKTIG: Håndter komprimert luft forsiktig. - Legg 100 ml av den vandige kobberoppløsningen i kobber i et medium størrelse beger.
MERK: Andre vandige plateringsløsninger ( f.eks. Sølv-, gull-, nikkel- og sinkbeleggløsninger) bør brukes til fremstilling av EMTE med de respektive metallene. </ Li> - Fest det PMMA-belagte FTO-glasset til den negative terminalen til elektrodeelektrodeoppsettet, dip det i plateringsløsningen som arbeidselektroden, og koble kobbermetallestangen til den positive terminalen for å fullføre kretsen.
MERK: Andre metallstenger ( dvs. sølv, gull, nikkel og sink) skal brukes til de respektive metallelektrodeposisjonene. - Påfør en egnet strøm som svarer til en strømtetthet på ca. 3 mA / cm 2 , til nettmønsterområdet i 2 minutter for å deponere metall til en tykkelse på ca. 200 nm (den faktiske tykkelsen må bestemmes av SEM eller AFM).
- Vask forsiktig prøven med DI vann og plasser den i acetone i 5 minutter for å oppløse PMMA-filmen.
- Legg den metaldekkede FTO-glassprøven på de elektrisk oppvarmede platene på termisk imprater og legg en COC-film (100 μm-tykk) på toppen av prøven.
- Varm platene til 100 ° C, bruk en 15MPa trykktrykk, og hold det i 5 minutter.
- Kjøl de oppvarmede platene til demonteringstemperaturen på 40 ° C og slipp trykktrykket.
- Skal av COC-filmen fra FTO-glasset, sammen med thesub-mikronmetallnett fullstendig innebygd i COC-filmen.
3. Ytelsesmåling av EMTE
- Måling av arkmotstand.
- Spre sølvpasta på to motsatte kanter av kvadratprøven og vent til den tørker.
- Plasser de fire sondene på motstandsmåleren på forsiktig sølvputer, etter instruksene på utstyret.
- Bytt til motstandsmålemodus for strømkilde / måleinstrument og ta opp verdien på displayet.
- Optisk overføring måling.
- Slå på UV-Vis-måleoppsettet og kalibrere spektrometeret ( dvs. korrelere lesningene med hvittHa standardprøve for å kontrollere nøyaktigheten av instrumentet).
- Plasser EMTE-prøven på spektrometerprøveholderen og riktig juster den optiske retningen.
- Juster spektrometeret for 100% transmittans.
MERK: Alle transmittansverdiene som presenteres her, blir normalisert til den absolutte transmittansen gjennom det bare COC-filmsubstratet. - Mål transmittansen av prøven.
- Lagre måling og logg av installasjonen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 1 viser skjematisk og fabrikasjons flytdiagram for EMTE-prøvene. Som vist i figur la , består EMTE av et metallnett fullt embedd i en polymerfilm. Maskens overkant er på samme nivå som underlaget, og viser en generelt jevn plattform for etterfølgende enhetsproduksjon. Fremstillingsteknikken er skjematisk forklart i figur 1b - e . Etter spincoating en fotoresistfilm på et FTO glass substrat, brukes fotolithografi til å lage nettmønsteret i fotoresist ved UV-eksponering og utvikling ( Figur 1b ), og avslører den ledende overflaten av glasset i grøften. I det følgende trinnet blir det respektive metall dyrket inne i grøftene ved elektroavsetning, som fyller grøfter for å danne et vanlig metallnett ( figur 1c figur 1d ). Deretter plasseres en polymerfilm på prøven og oppvarmes til en temperatur høyere enn dens glassovergangstemperatur. Metallnett blir presset inn i myk polymerfilmen ved anvendelse av et jevnt trykk ( figur 1e ). Til slutt, ved å avkjøle stabelen til romtemperatur og peeling av polymerfilmen fra det ledende glass, overføres metallnettverket til plastfilmen i fullstendig innbygget form ( figur 1f ). Hele fabrikasjonsprosedyren er løsningsbasert og implementeres i en omgivende atmosfære; Derfor kan den lett tilpasses for masseproduksjon.
Figur 2 presenterer atommaktmikroskopi (AFM) og skanningelektronmikroskopi (SEM) imaGes av EMTEs morfologi ved forskjellige fabrikasjonstrinn i LEIT-prosessen. Figur 2a presenterer grøftbilder i fotoresistfilmen laget av fotolitografi. I denne spesifikke prøven er bredden av fotoresistgraven ca. 4 μm, mens dybden er nesten 2 μm. Figur 2b viser det galvaniserte kobbernettet på FTO glass. Som tydelig fra resultatene har kobbernettet en tykkelse og en linjebredde på henholdsvis 1,8 og 4 μm. Figur 2c viser det overførte kobbernettet på en COC-film 28 . AFM-bildene bekrefter at overflatenes grovhet av den oppnådde EMTE (1,8 μm tykkelse) er lavere enn 50 nm, og bekrefter den innebygde konfigurasjonen. LEIT-metoden kan undersøkes ytterligere ved å variere elektrodeposisjonstiden for å lage kobber-EMTEer med forskjellige tykkelser. Korrelasjonen av metalltykkelse og elektrodeposisjonstid er preseAngitt i figur 2d . Kurven vist i figur 2d viser at tykkelsen av metall endres ulinært med en økning i elektrodeposisjonstid. Dette skyldes det ikke-rektangulære tverrsnittet av fotoresistgraven ( figur 2a ), som har en smalere bunn, men en bredere topp. Således, under elektrodeposisjonen (konstant strøm), reduseres veksthastigheten av metalltykkelse med tiden. Derfor har nettverket en større bredde på den høyere delen, noe som er fordelaktig for overføringsoverføring, siden det kan mekanisk forankres i plastfilmen.
Figur 3a- c demonstrerer den strukturelle karakteriseringen av EBL-mønstret EMTE-fremstilling ved forskjellige trinn i LEIT-prosessen for å validere sin dimensjonelle skalerbarhet. Figur 3a viser AFM og SEM bilder av trenChes laget i PMMA film via EBL. Grøftens dybde og bredde er henholdsvis 150 og 400 nm. Figur 3b viser kobbernettet galvanisert på FTO-glass, og figur 3c viser det påtrykte overførte kobbernettet på en COC-film. Metallnettet på COC-substratet er i fullstendig innebygd form, og gir sterk vedheft og stabilitet med plastsubstratet.
Figur 4a viser transmittansen av kobber-EMTEer med en tykkelse på 600 nm, 1 μm og 2 μm i bølgelengdeområdet på 300-850 nm. Når metallnettetes tykkelse økte fra 600 nm til 2 μm, ble det bare observert en minimal reduksjon i transmittans, og denne dråpen er tilskrevet den ikke-rektangulære profilen av grøften i fotoresist og metalloverplateringen. På den annen side kan arkresistensen av EMTEer bli betydelig redusert når metalltykkelsenØkes, som vist i figur 4b . En eksepsjonelt lav arkresistens på 0,07 Ω / kvm er registrert for kobber-EMTE med en tykkelse på 2 μm, med den optiske transmittansen fortsatt høyere enn 70%.
Figur 4b viser forholdet mellom elektrisk ledning og optisk konduktans (σ dc / σ opt ), en FoM som vanligvis brukes til å sammenligne ytelsen til TE. FoM-verdiene vist i figur 4b ble beregnet for forskjellige EMTEer fremstilt i dette arbeidet ved å anvende følgende vanlig brukte uttrykk 4 , 7 , 17 , 18 : 
Hvor R s er arkmotstanden og T er den optiske transmittansen ved en 550 nm bølgelengde. Innlegget i figur 4b viser forholdet mellom FoM og metalltykkelsen. Det gitte diagrammet viser at tykkelsen av metallet har betydelig innflytelse på arkmotstanden og dermed på verdien av FoM ved å øke ledningsevnen til et tykkere metallnett uten å miste transmittansen betydelig. Prototypen EMTE oppnådde FoM-verdier høyere enn 1,5 x 10 4 , som er blant de beste verdiene som er rapportert i litteraturen.
Figur 5a demonstrerer arkresistens og UV-Vis-spektra av et høyt gjennomsiktig kobber EMTE på COC-film (5 x 5 cm 2 ) med en tonehøyde, linjebredde og tykkelse på henholdsvis 150, 4 og 1 um, som viser skalerbarheten av Den totale størrelsen på EMTE-strukturen og LEIT-fabrikkstrategien. På grunn av den relativt store banen viser prøven høyere optisk transmittans (94%) mens mOppnå en lavere arkresistens (0,93 Ω / kvm). På samme måte kan mange arrangementer av arkmotstand og optisk transmittans oppnås for forskjellige innretninger ved å justere de sentrale geometriske egenskapene til EMTE.
Figur 5b viser arkmotstands- og optisk transmittansspektra av EMTEer av ulike metaller, inkludert sølv, gull, nikkel og sink, for å demonstrere allsidigheten av materialvalg med vårt EMTE. Overføringsspektraene er nesten flate og featurløse over hele synlig rekkevidde, noe som er gunstig for displayenheter og solcelleapplikasjoner. Sink-, sølv- og nikkelbaserte EMTEer har sammenlignbare metalltykkelser, så alle prøvene har omtrent like overføringer (nesten 78%), mens arkmotstandene er henholdsvis 1,02, 0,52 og 1,40 Ω / kvadrat. På grunn av de forskjellige metalltykkelsene, er gull- og kobberbaserte EMTE (nesten 2 μm og 600 nm) har arkresistanser på henholdsvis 0,20 og 0,70 Ω / kvadrat og transmittanser på henholdsvis 72% og 82%. Den vellykkede produksjonen av disse EMTEene bekreftet materialets allsidighet, og tilfredsstiller derfor ulike krav til lederens kjemiske kompatibilitet og arbeidsfunksjon i ulike enheter.
Figur 6a og b presenterer den overlegne fleksibiliteten til våre EMTEer ved å korrelere arkmotstanden med bøyesyklusene for trykk- og strekkbelastninger i radier på 3, 4 og 5 mm. Resultatene vist i figur 6a viser at for trykkbøyning med 4 og 5 mm radius forekommer ingen åpenbar variasjon i arkresistens (0,07 Ω / kvadrat) for 1000 bøyninger. Variasjonen i arkresistens er også innenfor 100% av den opprinnelige verdien (fra 0,07 Ω / kvadrat til 0,13 Ω / kvm) for bøyningsradien på 3 mm. Tilsvarende, for strekk bEnding, variasjoner i arkmotstand mot bøyesyklusene er vist i figur 6b , hvilket indikerer at i 1000 sykluser med 3, 4 og 5 mm radius, endret arkresistansene med henholdsvis henholdsvis 350%, 150% og 30%. Figur 6c illustrerer miljøstabiliteten til kobber-EMTE etter nedsenkning i DI-vann og IPA og eksponering for en varm og fuktig atmosfære (60 ° C, 85% relativ luftfuktighet). Det er åpenbart fra resultatene at etter 24 timer forblir de morfologiske strukturene og arkmotstandene til EMTEene upåvirket.
Figur 1: Skjematiske diagrammer av EMTE-strukturen og LEIT Fabrication Procedure. ( A ) Et EMTE med et metallnett innebygd i en gjennomsiktig plastfilm. ( B ) Mesh mønstre laget i en resiSt film lagd på et ledende glass substrat ved hjelp av litografi. ( C ) Elektrodeposisjon av metall inne i skytten av motstanden for å fremstille et jevnt metallnett. ( D ) Oppløsning av motstanden for å oppnå blott metallnett. ( E ) Oppvarming og pressing av metallnettet i en plastfilm. ( F ) Separasjon av plastfilmen og metallnettverket i en fullstendig innebygd form. Denne figuren er endret fra referanse 29 . Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Fremstilling av prototype 50 μm-pitch kobber EMTEs. ( A - c ) SEM (venstre, med innspillet som viser det innzoomede bildet) og AFM (Høyre) karakteriseringer av en prøve EMTE på forskjellige stadier av LEIT: ( a ) Mesh mønster i fotoresist. ( B ) Kobbermaske på FTO glasset etter oppløsning av fotoresist. ( C ) Kobbernettet helt innebygd i et COC-substrat. ( D ) Forholdet mellom metalltykkelse og elektrodeposisjonstid ved konstant elektrodeposisjonstrømsdensitet (3 mA / cm 2 ). Mislykkede og vellykkede tilfeller etter overtrykksoverføringen er henholdsvis henholdsvis rød og svart farger. Denne figuren er endret fra referanse 29 . Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: SEM (venstre) og AFM (høyre) Karakterisering av en PRototype Sub-mikrometer-linewidth EMTE på ulike trinn av LEIT. ( A ) Nanomesh mønstre laget i en PMMA film ved bruk av EBL. ( B ) Kobber nanomesh på FTO glasset etter oppløsning av PMMA film. ( C ) Kobber nanomesh helt innebygd i et COC-substrat. Denne figuren er endret fra referanse 29 . Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Ytelseskarakterisering av prototypene 50 μm-pitch-kobber-EMTEer. ( A ) Optiske spektra av typiske kobber EMTEer. Inset: Optisk bilde av det fleksible kobber EMTE. ( B ) Forholdet mellom transmittans og arkresistens for kobber-EMTEer Av forskjellige masketykkelser; De tilsvarende FoM-verdiene vises i innspillet. Denne figuren er endret fra referanse 29 . Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Dimensjonell skalerbarhet og materialets allsidighet av kobber-EMTEene. ( A ) Arkmotstand og optiske spektra av et høyt gjennomsiktig kobber EMTE med en tone på 150 μm på et stort COC-substrat (5 x 5 cm 2 ). Inset: Optisk bilde av det store området EMTE. ( B ) Arkresistanser og optiske spektra med 50 μm-pitch EMTEer laget av forskjellige metaller. Denne figuren er endret fra referanse 29 .P_upload / 56019 / 56019fig5large.jpg "target =" _ blank "> Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Mekanisk og miljømessig stabilitet av kobber-EMTEene. ( A ) Kurve for endringer i arkmotstand med gjentatte trykkbøyningssykluser. ( B ) Kurve for endringer i arkmotstand med gjentatte strekkbøyningssykluser. ( C ) Endringer i arkmotstand i miljø- og kjemiske tester. Innstikk: SEM-bilder etter testene. Denne figuren er endret fra referanse 29 . Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vår fabrikasjonsmetode kan endres ytterligere for å tillate skalerbarhet av funksjonens størrelser og områder av prøven og for bruk av ulike materialer. Den vellykkede produksjonen av sub-mikrometerlinjebredde ( Figur 3a-3c ) kobber EMTEer ved hjelp av EBL viser at EMTE-strukturen og hovedtrinnene i LEIT-fabrikasjon, inkludert elektroplating og overføring av overføringer, kan pålides pålitelig ned til et sub-mikrometerområde. På samme måte kan andre stor-området litografiprosesser, så som faseskiftfotolitografi 30 , nanoimprint-litografi 31 og ladet partikkelstrålelithografi 32 , også brukes til å skape høyoppløsningsmønstre i resistfilmen. Den elektrodeposisjonsprosessen som brukes i vår demonstrasjon, er basert på en laboratorieoppsett. Imidlertid kan vår metode lett modifiseres til et industrielt skala, stort gjennomstrømmingsbelegg for produksjon. Vi brukte therMal-overføringsoverføring i demonstrasjonen, men andre materialer som kan herdes ved hjelp av ultrafiolett eller andre midler, kan også påføres overføringsprosessen.
Når vi utfører vår metode, kan det oppstå noen problemer. Metallnettets tykkelse, så vel som dens geometriske profil, er kritisk for den konsekvente LEIT-fabrikasjonen av EMTEer. Kurven vist i figur 2d viser at overføringene var vellykkede bare for tykkere masker ( dvs. en tykkelse større enn 500 nm). Årsaken til de mislykkede overføringene er at den påførte fangstkraften til COC-filmen på den øvre overflaten og sidevegget av tynnere metallmaskere ikke kunne motvirke adhesjonskraften mellom metallet og FTO-glasset.
Det er begrensninger for vår nåværende metode. Selv om LEIT er en kostnadseffektiv tilnærming til å erstatte vakuumbasert metalldeponering med en galvaniseringsprosess for fremstilling av EMTE, omfatter den en obligatorisk litografiPhy trinn når du lager hver prøve. Dette begrenser dets egnethet for høy gjennomstrømning og stor volum industriell produksjon. Vårt fremtidige arbeid vil være fokusert på å takle dette viktige problemet.
Med bedre ytelse til en lavere kostnad og høy gjennomstrømningsfremstillingsstrategi har EMTE et bredt spekter av bruksområder i fleksible optoelektroniske enheter, for eksempel organiske solceller 33 , organiske lysdioder 34 , organiske tynnfilmstransistorer 35 , fleksible Gjennomsiktige berøringspaneler 10 osv . Videre kan masken brukes i kunstig hud ved å overføre den til strekkbare underlag. For tiden undersøker vi om det er egnet i elastiske elektroniske enheter. Faktisk er ytelsen lovende i slike applikasjoner.
Sammendrag presenterer vi nye EMTEer hvor metallnett er mekanisk forankret i en polymerfilm. ComparEd til eksisterende metallnettelektroder, er nøkkelen for denne EMTE-strukturen at den bruker et tykt metallnett for høyere elektrisk ledningsevne, uten å miste overflatens flathet. EMTEene er fremstilt for å oppnå et forhold mellom elektrisk og optisk konduktans på mer enn 10 4 , som er blant de høyeste av TE'ene 29 rapportert i litteraturen. Videre øker den innebygde strukturen den kjemiske stabiliteten til EMTE i en omgivende atmosfære og den mekaniske stabiliteten under bøyestress.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble delvis støttet av Generaldirektoratet for Forskningsstipendierådet i Hongkongs spesielle administrative region (pris nr. 17246116), Young Scholar Programmet fra National Natural Science Foundation of China (61306123), Basic Research Program- Generell Program fra Vitenskap og Teknologi Innovasjonskommisjonen i Shenzhen Kommune (JCYJ20140903112959959), og Nøkkelforsknings- og utviklingsprogrammet fra Zhejiang Provincial Department of Science and Technology (2017C01058). Forfatterne vil gjerne takke Y.-T. Huang og SP Feng for deres hjelp med de optiske målingene.
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).
