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Engineering

Estrategia escalable de fabricación procesada por soluciones para electrodos transparentes de alto rendimiento y flexibles con malla metálica integrada

Published: June 23, 2017 doi: 10.3791/56019
Automatic Translation
1, 2, 3, 4, 1,5, 4, 2,3, 1,5
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

Summary

Este protocolo describe una estrategia de fabricación basada en soluciones para electrodos transparentes, flexibles y de alto rendimiento con malla metálica gruesa y totalmente incrustada. Los electrodos transparentes flexibles fabricados por este proceso demuestran entre los rendimientos más altos reportados, incluyendo resistencia de lámina ultrabaja, alta transmitancia óptica, estabilidad mecánica bajo flexión, adhesión de sustrato fuerte, suavidad superficial y estabilidad ambiental.

Abstract

Aquí, los autores informan el electrodo de malla metálica incrustada (EMTE), un nuevo electrodo transparente (TE) con una malla de metal completamente incrustado en una película de polímero. Este documento también presenta un bajo costo, método de fabricación libre de vacío para esta novela TE; El enfoque combina la litografía, galvanoplastia, y el proceso de transferencia de impresión (LEIT). La naturaleza incorporada de los EMTEs ofrece muchas ventajas, tales como alta suavidad superficial, que es esencial para la producción orgánica del dispositivo electrónico; Estabilidad mecánica superior durante la flexión; Resistencia favorable a los productos químicos ya la humedad; Y fuerte adhesión con película plástica. La fabricación LEIT cuenta con un proceso de galvanoplastia para la deposición de metales sin vacío y es favorable para la producción industrial en masa. Además, LEIT permite la fabricación de malla metálica con una alta relación de aspecto ( es decir, el espesor al ancho de línea), mejorando significativamente su conductancia eléctrica sin perjudicar la óptica trAnsmitancia Demostramos varios prototipos de EMTEs flexibles, con resistencias de lámina inferiores a 1 Ω / sq y transmitancias superiores al 90%, dando como resultado valores muy altos de mérito (FoM) - hasta 1,5 x 10 4 - que están entre los mejores valores en el Literatura publicada.

Introduction

En todo el mundo, se están realizando estudios para buscar reemplazos de óxidos conductores transparentes transparentes (TCO), tales como películas de óxido de estaño de indio y óxido de estaño dopado con flúor (FTO), con el fin de fabricar TEs flexibles / Dispositivos optoelectrónicos estirables 1 . Esto requiere nuevos materiales con nuevos métodos de fabricación.

Se han estudiado nanomateriales como el grafeno 2 , los polímeros conductores 3 , 4 , los nanotubos de carbono 5 y las redes aleatorias de nanocables metálicos 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 y han demostrado sus capacidades en TEs flexibles, abordando las deficiencias de Existentes basadas en TCO, Incluyendo la fragilidad de la película 12 , la baja transmitancia de infrarrojos 13 , y la baja abundancia 14 . Incluso con este potencial, todavía es difícil obtener alta conductancia eléctrica y óptica sin deterioro bajo flexión continua.

En este marco, las mallas metálicas regulares 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 están evolucionando como un candidato prometedor y han logrado una transparencia óptica notablemente alta y una baja resistencia de la hoja, que puede ajustarse a petición. Sin embargo, el uso extensivo de TE-malla basada en TE se ha obstaculizado debido a los numerosos desafíos. En primer lugar, la fabricación implica a menudo la costosa deposición a vacío de metales 16 , 17 , 18 , 21 . En segundo lugar, el espesor puede provocar fácilmente cortocircuitos eléctricos 22 , 23 , 24 , 25 en dispositivos optoelectrónicos orgánicos de película delgada. En tercer lugar, la adhesión débil con la superficie del substrato da como resultado una flexibilidad pobre 26 , 27 . Las limitaciones mencionadas anteriormente han creado una demanda de nuevas estructuras de TE basadas en malla metálica y enfoques escalables para su fabricación.

En este estudio, presentamos una nueva estructura de TEs flexibles que contiene una malla metálica completamente incrustada en una película de polímero. También describimos un enfoque de fabricación innovador, basado en soluciones y bajo costo que combina litografía, electrodeposición y transferencia de impresión. Se han logrado valores de FoM de hasta 15k en EMTEs de muestra. Debido a la naturaleza intrínseca deSe observaron EMTEs, notable estabilidad química, mecánica y ambiental. Además, la técnica de fabricación procesada en solución establecida en este trabajo se puede utilizar potencialmente para la producción de bajo costo y alto rendimiento de los EMTEs propuestos. Esta técnica de fabricación es escalable a anchos de línea de malla metálica más finos, áreas más grandes y una gama de metales.

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Protocol

PRECAUCIÓN: Preste atención a la seguridad del haz de electrones. Por favor use las gafas y ropa de protección correctas. También, maneje cuidadosamente todos los disolventes y soluciones inflamables.

1. Fabricación fotolitográfica de la EMTE

  1. Fotolitografía para la fabricación del patrón de malla.
    1. Limpie los sustratos de vidrio FTO (3 cm x 3 cm) con detergente líquido con algodón. Enjuague bien con agua desionizada (DI) usando un hisopo de algodón limpio. Limpiarlos con ultra-sonicación (frecuencia = 40 kHz, temperatura = 25 ° C) en alcohol isopropílico (IPA) durante 30 s antes de secarlos con aire comprimido.
      PRECAUCIÓN: Manipule el aire comprimido con cuidado.
    2. Spincoat 100 μL del material fotorresistente en el vidrio FTO limpiado durante 60 s a 4.000 rpm (aproximadamente 350 xg para muestras con un radio de 2 cm) para obtener una película uniforme de 1,8 μm de espesor.
    3. Hornee la película fotorresistente en una placa caliente durante 50 s al100 ° C.
    4. Se expone la película fotorresistente a través de una fotomáscara con un patrón de malla (ancho de línea de 3 μm, paso de 50 μm) usando un alineador de máscara UV para una dosis de 20 mJ / cm2.
    5. Desarrollar el material fotorresistente sumergiendo la muestra en la solución reveladora durante 50 s.
    6. Enjuagar la muestra en agua desionizada y secarla con aire comprimido.
      PRECAUCIÓN: Manipule el aire comprimido con cuidado.
  2. Electrodeposición de metales.
    1. Verter 100 ml de una solución de revestimiento acuosa de cobre en un vaso de precipitados de 250 ml.
      NOTA: Para la fabricación de EMTE con los respectivos metales se pueden usar otras soluciones de revestimiento acuosas ( por ejemplo, plata, oro, níquel y cinc).
      PRECAUCIÓN: Preste atención a la seguridad química.
    2. Conecte el vidrio FTO recubierto con material fotorresistente al terminal negativo de la instalación de electrodeposición de dos electrodos y sumergirlo en la solución de revestimiento como el electrodo de trabajo.
    3. Conecte la barra metálica de cobreAl terminal positivo de la disposición de electrodeposición de dos electrodos como el contraelectrodo.
    4. Suministre una corriente constante de 5 mA (densidad de corriente: ~ 3 mA / cm2) utilizando un instrumento de medición de tensión / corriente ( por ejemplo, Sourcemeter) durante 15 minutos para depositar el metal en un espesor de aproximadamente 1,5 μm.
    5. Enjuague minuciosamente la muestra de vidrio FTO recubierta con material fotorresistente con agua desionizada y séquela con aire comprimido.
      PRECAUCIÓN: Manipule el aire comprimido con cuidado.
    6. Colocar la muestra de vidrio FTO recubierta con material fotorresistente en acetona durante 5 minutos para disolver la película fotorresistente, con la malla de metal desnudo en la parte superior del vidrio FTO.
  3. Transferencia de impresión térmica de la malla metálica al sustrato flexible.
    1. Coloque la muestra de vidrio FTO con revestimiento metálico sobre las planchas calentadas eléctricamente de la impresora térmica y coloque una película de copolímero de olefina cíclica flexible (COC) de 100 μm de espesor sobre la parte superior de la muestra,El lado de malla metálica.
    2. Calentar las placas de la prensa calentada a 100 ° C.
    3. Aplicar 15 MPa de presión de impresión y mantenerlo durante 5 min.
      PRECAUCIÓN: Preste atención a la seguridad cuando utilice la prensa calentada.
      NOTA: La transferencia de impresión se puede hacer a una presión más baja; El valor de presión (15 MPa) aquí descrito es relativamente alto. Esta alta presión se utilizó para asegurar que la malla metálica estaba totalmente incrustada en la película COC.
    4. Enfriar los platos calientes a la temperatura de desmoldeo de 40 ° C.
    5. Suelte la presión de impresión.
    6. Pelar la película COC del vidrio FTO, con la malla de metal totalmente incrustado en la película COC.

2. Fabricación de EMTE submicrónicos

  1. Fabricación de EMTE submicrónicos mediante litografía por haz de electrones (EBL).
    1. Spincoat 100 μL de solución de metacrilato de polimetilo (PMMA) (15k MW, 4% en peso de anisol) en el vidrio FTO limpiado durante 60 saT 2,500 rpm (aproximadamente 140 xg para muestras con un radio de 2 cm) para conseguir una película uniforme de 150 nm de espesor.
    2. Hornee la película de PMMA en una placa caliente durante 30 minutos a 170 ° C.
    3. Encienda el sistema EBL y diseñe el patrón de malla (ancho de línea de 400 nm, paso de 5 μm) utilizando un generador de patrones 29 .
    4. Colocar la muestra en un microscopio electrónico de barrido conectado al generador de patrones y ejecutar el proceso de escritura 29 .
    5. Desarrollar la resistencia durante 60 s en una solución mixta de metil isopropil cetona e isopropanol en una relación 1: 3.
    6. Enjuague la muestra con agua desionizada y séquela con aire comprimido.
      PRECAUCIÓN: Manipule el aire comprimido con cuidado.
    7. Colocar 100 ml de la solución acuosa de recubrimiento acuoso en un vaso mediano.
      NOTA: Para la fabricación de EMTE con los respectivos metales se deben usar otras soluciones acuosas de recubrimiento ( por ejemplo, soluciones de chapado de plata, oro, níquel y zinc). <Li
    8. Conecte el vidrio FTO recubierto con PMMA al terminal negativo de la instalación de electrodeposición de dos electrodos, dóblelo en la solución de revestimiento como electrodo de trabajo y conecte la barra metálica de cobre al terminal positivo para completar el circuito.
      NOTA: Se deben utilizar otras barras de metales ( es decir, plata, oro, níquel y zinc) para las respectivas electrodeposiciones metálicas.
    9. Aplicar una corriente adecuada, correspondiente a una densidad de corriente de aproximadamente 3 mA / cm2, a la zona del patrón de malla durante 2 min para depositar metal hasta un espesor de aproximadamente 200 nm (el espesor real debe determinarse mediante SEM o AFM).
    10. Lavar cuidadosamente la muestra con agua DI y colocarla en acetona durante 5 minutos para disolver la película de PMMA.
    11. Coloque la muestra de vidrio FTO cubierta con malla metálica sobre los platos calentados eléctricamente de la impresora térmica y coloque una película COC (100 μm de grosor) encima de la muestra.
    12. Calentar las placas a 100 ° C, aplicar un 15MPa presión de impresión, y mantener durante 5 min.
    13. Enfriar los platos calientes a la temperatura de desmoldeo de 40 ° C y liberar la presión de impresión.
    14. Pelar la película de COC del vidrio FTO, junto con la malla de metal sub-micrón completamente incrustado en la película de COC.

3. Medición del Desempeño de los EMTEs

  1. Medición de resistencia de chapa.
    1. Separe la pasta de plata en dos bordes opuestos de la muestra cuadrada y espere a que se seque.
    2. Coloque cuidadosamente las cuatro sondas del dispositivo de medición de resistencia en las almohadillas de plata, siguiendo las instrucciones del equipo.
    3. Cambie al modo de medición de resistencia de la fuente de alimentación / instrumento de medición y registre el valor en la pantalla.
  2. Medición de transmisión óptica.
    1. Activar la configuración de medición UV-Vis y calibrar el espectrómetro ( es decir, correlacionar las lecturas witHa de muestra estándar para comprobar la exactitud del instrumento).
    2. Coloque la muestra EMTE en el porta muestras de espectrómetros y alinee correctamente la dirección óptica.
    3. Ajuste el espectrómetro para 100% de transmitancia.
      NOTA: Todos los valores de transmitancia presentados aquí se normalizan a la transmitancia absoluta a través del substrato de película COC desnudo.
    4. Mida la transmitancia de la muestra.
    5. Guarde la medición y cierre la sesión de la configuración.

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Representative Results

La figura 1 muestra el diagrama esquemático y de fabricación de las muestras EMTE. Tal como se presenta en la Figura 1a , el EMTE consiste en una malla metálica totalmente incrustada en una película de polímero. La cara superior de la malla está en el mismo nivel que el sustrato, mostrando una plataforma generalmente lisa para la posterior producción del dispositivo. La técnica de fabricación se explica esquemáticamente en la figura 1b - e . Después de endurecer una película fotorresistente sobre un sustrato de vidrio FTO, se utiliza fotolitografía para crear el patrón de malla en fotorresistencia mediante exposición y desarrollo UV ( Figura 1b ), revelando la superficie conductora del vidrio en la zanja. En la etapa siguiente, el metal respectivo se hace crecer dentro de las zanjas por electrodeposición, que llena las zanjas para formar una malla metálica regular ( Figura 1c Figura 1d ). A continuación, se coloca una película de polímero sobre la muestra y se calienta a una temperatura superior a su temperatura de transición vítrea. La malla metálica es empujada dentro de la película polimérica suavizada a través de la aplicación de una presión uniforme ( Figura 1e ). Finalmente, enfriando la pila a temperatura ambiente y despegando la pelıcula de polımero desde el vidrio conductor, la malla metálica se transfiere a la pelıcula de plástico en forma completamente incrustada ( Figura 1f ). Todo el procedimiento de fabricación se basa en soluciones y se implementa en una atmósfera ambiente; Por lo tanto, se puede adaptar fácilmente para la producción en masa.

La figura 2 presenta microscopía de fuerza atómica (AFM) y microscopía electrónica de barrido (SEM) imaDe la morfología de la EMTE en diferentes etapas de fabricación del proceso LEIT. La Figura 2a presenta las imágenes de zanja en la película fotorresistente hecha por fotolitografía. En esta muestra específica, la anchura de la zanja de fotorresistencia es de aproximadamente 4 μm, mientras que la profundidad es de aproximadamente 2 μm. La figura 2b muestra la malla de cobre galvanizada sobre vidrio FTO. Como resulta evidente a partir de los resultados, la malla de cobre tiene un grosor y una anchura de línea de aproximadamente 1,8 y 4 mu m, respectivamente. La Figura 2c muestra la malla de cobre transferida sobre una película COC 28 . Las imágenes AFM confirman que la rugosidad de la superficie del EMTE consumado (1,8 μm de espesor) es inferior a 50 nm, confirmando su configuración incrustada. El método LEIT puede estudiarse adicionalmente variando el tiempo de electrodeposición para producir EMTEs de cobre de diferentes espesores. La correlación del espesor del metal y el tiempo de electrodeposición seLa curva mostrada en la Figura 2d revela que el grosor del metal cambia no linealmente con un aumento en el tiempo de electrodeposición. Esto se debe a la sección transversal no rectangular de la zanja fotorresistente ( Figura 2a ), que tiene una parte inferior más estrecha pero una parte superior más ancha. Así, durante la electrodeposición (corriente constante), la velocidad de crecimiento del espesor del metal disminuye con el tiempo. Por lo tanto, la malla tiene una anchura mayor en la parte superior, lo cual es ventajoso para la transferencia de impresión ya que puede ser anclado mecánicamente en la película de plástico.

La Figura 3a -c demuestra la caracterización estructural de la fabricación de EMTE con patrón EBL en varias etapas del proceso LEIT para validar su escalabilidad dimensional. La Figura 3a muestra las imágenes AFM y SEM del trenEn películas PMMA a través de EBL. La profundidad y el ancho de la zanja son alrededor de 150 y 400 nm, respectivamente. La Figura 3b muestra la malla de cobre galvanizada sobre vidrio FTO, y la Figura 3c presenta la malla de cobre transferida por imprenta sobre una película COC. La malla metálica sobre el sustrato de COC está en forma completamente incrustada, ofreciendo una fuerte adhesión y estabilidad con el sustrato de plástico.

La Figura 4a muestra la transmitancia de EMTE de cobre de 600 nm, 1 μm y 2 μm de espesor en el intervalo de longitud de onda de 300-850 nm. Cuando el espesor de la malla metálica aumentó de 600 nm a 2 μm, sólo se detectó una reducción mínima en la transmitancia, y esta caída se atribuye al perfil no rectangular de la zanja en la fotorresistencia y la sobrecarga de metal. Por otro lado, la resistencia de la hoja de EMTEs puede disminuir significativamente cuando el espesor del metalSe incrementa, como se demuestra en la figura 4b . Se ha registrado una resistencia de hoja excepcionalmente baja de 0,07 Ω / sq para el EMTE de cobre con un espesor de 2 μm, con una transmitancia óptica todavía superior al 70%.

La Figura 4b muestra la relación entre la conductancia eléctrica y la conductancia óptica (σ dc / σ opt ), una FoM comúnmente utilizada para comparar el rendimiento de TEs. Los valores de FoM mostrados en la Figura 4b se calcularon para varios EMTE realizados en este trabajo aplicando la siguiente expresión comúnmente utilizada 4 , 7 , 17 , 18 :
Ecuación 1
Donde R s es la resistencia de la lámina y T es la transmitancia óptica a una onda de 550 nmlongitud. La inserción de la figura 4b muestra la relación entre el FoM y el grosor del metal. La gráfica dada muestra que el espesor del metal tiene una influencia significativa sobre la resistencia de la lámina y por lo tanto sobre el valor de la FoM al aumentar la conductividad de una malla metálica más gruesa sin perder considerablemente la transmitancia. Los prototipos EMTEs alcanzaron valores de FoM superiores a 1,5 x 10 4 , que están entre los mejores valores reportados en la literatura.

La Figura 5a muestra la resistencia de la lámina y los espectros UV-Vis de un EMTE de cobre transparente alto sobre una película COC (5 x 5 cm2) con un paso, un ancho de línea y un espesor de 150, 4 y 1 μm, respectivamente, mostrando la escalabilidad de El tamaño total de nuestra estructura EMTE y la estrategia de fabricación LEIT. Debido al paso relativamente grande, la muestra muestra una mayor transmitancia óptica (94%) mientras que mCon una menor resistencia de la hoja (0,93 Ω / sq). De forma similar, se pueden conseguir numerosas disposiciones de resistencia de la hoja y transmitancia óptica para diferentes dispositivos ajustando las características geométricas clave de la EMTE.

La Figura 5b muestra la resistencia de la lámina y los espectros de transmitancia óptica de EMTEs de diversos metales, incluyendo plata, oro, níquel y zinc, para demostrar la versatilidad de elección de material con nuestro EMTE. Los espectros de transmitancia son casi planos y carentes de rasgos en toda la gama visible, lo cual es beneficioso para dispositivos de visualización y aplicaciones de células solares. Los EMTE basados ​​en zinc, plata y níquel tienen espesores de metal comparables, por lo que todas las muestras tienen transmitancias aproximadamente similares (casi 78%), mientras que las resistencias de la hoja son 1,02, 0,52 y 1,40 Ω / sq, respectivamente. Debido a los diferentes espesores de metal, los EMTEs de oro y cobre (casi 2 μm y 600 nm, respectivamente) tienen resistencias de hoja de 0,20 y 0,70 Ω / sq y transmitancias de 72% y 82%, respectivamente. La producción exitosa de estos EMTE confirmó la versatilidad del material, satisfaciendo así diversos requisitos para la compatibilidad química y la función de trabajo del conductor en diversos dispositivos.

Las Figuras 6a y 6b presentan la flexibilidad superior de nuestros EMTE correlacionando la resistencia de la lámina con los ciclos de flexión para cargas de compresión y tracción a radios de 3, 4 y 5 mm. Los resultados mostrados en la figura 6a demuestran que, para curvado de compresión con radios de 4 y 5 mm, no se produce una variación obvia en la resistencia de la lámina (0,07 Ω / sq) para 1000 curvaturas. Además, la variación en la resistencia de la hoja está dentro del 100% de su valor inicial (de 0,07 Ω / sq a 0,13 Ω / sq) para el radio de curvatura de 3 mm. Similarmente, para la tracción bEn la figura 6b se muestran las variaciones en la resistencia de la hoja contra los ciclos de curvado, indicando que para 1.000 ciclos de radios de 3, 4 y 5 mm, las resistencias de la hoja han cambiado casi en un 350%, 150% y 30%, respectivamente. La Figura 6c ilustra la estabilidad ambiental de los EMTEs de cobre después de inmersión en agua DI y IPA y exposición a una atmósfera caliente y húmeda (60ºC, 85% de humedad relativa). Es obvio a partir de los resultados que después de 24 h, las estructuras morfológicas y las resistencias de hoja de los EMTEs no se ven afectadas.

Figura 1
Figura 1: Diagramas Esquemáticos de la Estructura EMTE y Procedimiento de Fabricación LEIT. (A) Un EMTE con una malla metálica incrustada en una película de plástico transparente. ( B ) Patrones de malla realizados en un resiSt de una capa sobre un sustrato de vidrio conductor usando litografía. ( C ) Electrodeposición de metal dentro de las zanjas de la resina para fabricar una malla metálica uniforme. ( D ) La disolución de la resistencia para lograr la malla de metal desnudo. ( E ) Calentar y prensar la malla metálica en una película de plástico. ( F ) Separación de la película de plástico y la malla metálica en una forma completamente incrustada. Esta cifra ha sido modificada a partir de la referencia 29 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2: Fabricación de prototipos de EMTE de cobre de 50 μm de tono. (A - c ) SEM (izquierda, con el recuadro que muestra la imagen ampliada) y AFM (Derecha) de una muestra EMTE en diferentes etapas de LEIT: ( a ) Patrón de malla en la fotorresistencia. ( B ) Malla de cobre sobre el vidrio FTO después de disolver la fotorresistencia. ( C ) Malla de cobre completamente incrustada en un sustrato de COC. ( D ) Relación entre el espesor del metal y el tiempo de electrodeposición a una densidad de corriente de electrodeposición constante (3 mA / cm2). Los casos no exitosos y exitosos después de la transferencia de huella se indican por colores rojo y negro, respectivamente. Esta figura se ha modificado a partir de la referencia 29 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
Figura 3: Caracterizaciones SEM (izquierda) y AFM (derecha) de un PRototype Sub-micrometer-linewidth EMTE en Varias Etapas de LEIT. (A) Nanomesh patrones realizados en una película de PMMA utilizando EBL. ( B ) nanomash de cobre en el vidrio de FTO después de disolver la película de PMMA. ( C ) nanomash de cobre completamente incrustado en un sustrato COC. Esta cifra ha sido modificada a partir de la referencia 29 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
Figura 4: Caracterización del rendimiento de los EMTE de cobre de 50 μm de tono prototipo. (A) Espectros ópticos de los EMTE de cobre típicos. Inserción: imagen óptica del cobre flexible EMTE. ( B ) Relación entre la transmitancia y la resistencia de la lámina para EMTE de cobre De diversos espesores de malla; Los valores FoM correspondientes se muestran en la inserción. Esta cifra ha sido modificada a partir de la referencia 29 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5
Figura 5: Escalabilidad Dimensional y Versatilidad de Materiales de los EMTEs de Cobre. (A) Resistencia de la lámina y espectros ópticos de un alto EMTE de cobre transparente con un paso de 150 μm sobre un sustrato COC grande (5 x 5 cm 2 ). Inserción: imagen óptica del EMTE de gran superficie. ( B ) Resistencias de lámina y espectros ópticos de EMTE de paso de 50 μm hechas de diferentes metales. Esta cifra ha sido modificada a partir de la referencia 29 .P_upload / 56019 / 56019fig5large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6
Figura 6: Estabilidad mecánica y ambiental de los EMTEs de cobre. (A) Curva de cambios en la resistencia de la hoja con ciclos de flexión compresiva repetidos. ( B ) Curva de los cambios en la resistencia de la hoja con ciclos repetidos de flexión por tracción. ( C ) Cambios en la resistencia de las láminas en las pruebas ambientales y químicas. Inyección: Imágenes SEM después de las pruebas. Esta cifra ha sido modificada a partir de la referencia 29 . Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Nuestro método de fabricación puede modificarse adicionalmente para permitir la escalabilidad de los tamaños de las características y áreas de la muestra y para el uso de diversos materiales. La fabricación exitosa de EMTE de cobre de longitud de submicrometro ( Figura 3a-3c ) utilizando EBL demuestra que la estructura de EMTE y los pasos clave en la fabricación de LEIT, incluyendo la galvanoplastia y la transferencia de huella, pueden reducirse fiablemente a un rango submicrométrico. De forma similar, también se pueden usar otros procesos litográficos de gran área, tales como la fotolitografía de desplazamiento de fase 30 , la litografía de nanoimpresión 31 y la litografía por haz de partículas cargadas 32 , para crear patrones de alta resolución en la película de resistencia. El proceso de electrodeposición utilizado en nuestra demostración se basa en una configuración a escala de laboratorio. Sin embargo, nuestro método puede modificarse fácilmente a un baño de galvanoplastia de escala industrial a gran escala para la producción. Nosotros usamosEn la demostración, pero también pueden aplicarse al proceso de transferencia otros materiales que pueden ser curados por medios ultravioleta u otros.

Al realizar nuestro método, algunos problemas pueden ocurrir. El espesor de la malla metálica, así como su perfil geométrico, son críticos para la fabricación coherente de LEIT de EMTEs. La curva mostrada en la Figura 2d revela que las transferencias fueron exitosas solamente para mallas más gruesas ( es decir, un espesor mayor de 500 nm). La razón de las transferencias infructuosas es que la fuerza de trampa aplicada de la película COC sobre la superficie superior y la pared lateral de mallas metálicas más delgadas simplemente no podía contrarrestar la fuerza de adhesión entre el metal y el vidrio FTO.

Hay limitaciones a nuestro método actual. Aunque el LEIT es un método rentable para reemplazar la deposición de metales a vacío con un proceso de galvanoplastia para la fabricación de EMTEs, se compone de una litografía obligatoriaPhy al hacer cada muestra. Esto limita su idoneidad para producción industrial de alto rendimiento y gran volumen. Nuestro trabajo futuro se centrará en abordar esta importante cuestión.

Con un mejor rendimiento a un menor costo y la estrategia de fabricación de alto rendimiento, nuestro EMTE tiene una amplia gama de aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos flexibles, tales como células solares orgánicas 33 , diodos emisores de luz orgánicos 34 , transistores orgánicos de película delgada 35 , flexibles Paneles táctiles transparentes 10 , etc. Además, la malla puede usarse en piel artificial transfiriéndola a sustratos estirables. Actualmente, estamos investigando su idoneidad en dispositivos electrónicos estirables. De hecho, su rendimiento es prometedor en tales aplicaciones.

En resumen, se presentan nuevos EMTEs en los que la malla metálica está anclada mecánicamente en una película de polímero. CompararEd a los electrodos de malla metálica existentes, la principal ventaja de esta estructura EMTE es que utiliza una gruesa malla metálica para una mayor conductividad eléctrica, sin perder la superficie plana. Los EMTEs se fabrican para lograr una relación de conductancia eléctrica a óptica de más de 10 ^ { 4} , que está entre los más altos de los TEs 29 descritos en la bibliografía. Además, la estructura incrustada mejora la estabilidad química de los EMTEs en una atmósfera ambiente y la estabilidad mecánica bajo esfuerzo de flexión.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado parcialmente por el Fondo General de Investigación del Consejo de Subvenciones de Investigación de la Región Administrativa Especial de Hong Kong (Premio Nº 17246116), el Programa de Jóvenes Estudiosos de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (61306123) Programa General de la Comisión de Innovación Científica y Tecnológica del Municipio de Shenzhen (JCYJ20140903112959959), y el Programa de Investigación y Desarrollo Clave del Departamento Provincial de Ciencia y Tecnología de Zhejiang (2017C01058). Los autores desean agradecer a Y.-T. Huang y SP Feng por su ayuda con las mediciones ópticas.

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

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References

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