Estratégia de fabricação processada e escalável para eletrodos flexíveis e transparentes de alto desempenho com malha metálica embutida

O objetivo geral deste procedimento é usar um processo de fabricação baseado em solução que combina litografia, deposição elétrica e transferência de impressão para produzir um filme condutor transparente, flexível e de alto desempenho com uma malha de micro metal autoancorada e totalmente incorporada. Essa malha pode ajudar a enfrentar os principais desafios enfrentados pelos futuros dispositivos eletrônicos flexíveis baseados em malha de metal, como tipografia de superfície não plana, baixo rendimento de fabricação e alto custo de fabricação. A malha metálica embutida oferece várias vantagens, como autosuavidade crucial, estabilidade mecânica e alta tensão de queima, forte adesão ao substrato flexível e resistência contra umidade, oxigênio e produtos químicos.

Nosso processo colocará isso com base na deposição de metal com deposição elétrica baseada em solução e é simples para buscar alto rendimento, como volume e produção de baixo custo. Meu grupo ajudou o grupo da Dra. Wendy Lee a testar as estabilidades dimensionais do processo de fabricação de malha de metal, padronizando uma malha de metal de 400 nanômetros com nosso sistema de litografia de eletrofeixe construído em casa. Meu assistente Xiong Ze vai demonstrar o processo de padronização de feixe elétrico.

Para iniciar a fabricação do EMTE, limpe um pedaço de vidro revestido de óxido de estanho dopado com piso de três centímetros com detergente líquido e um cotonete. Enxágue bem o substrato de vidro com água deionizada e remova vestígios de detergente com outro cotonete. Sonicar o vidro FTO em isopropanol durante 30 segundos a 40 kilohertz.

Em seguida, seque o vidro limpo com ar comprimido. Em seguida, coloque o vidro FTO limpo e seco em um revestidor giratório e aplique 100 microlitros de fotorresistente positivo. Gire o vidro a 4.000 RPM por 60 segundos para produzir um filme de 1,8 mícron de espessura.

Asse o vidro revestido a 100 graus Celsius por 50 segundos. Cubra o vidro revestido com uma máscara de padrão de malha e exponha o fotorresistente à luz UV suficiente para obter uma fluência radiante de 20 milijoules por centímetro quadrado. Em seguida, mergulhe o vidro revestido no revelador apropriado por 50 segundos para remover o fotorresistente exposto.

Enxágue a amostra em água deionizada e seque-a sob uma corrente de ar comprimido. Em seguida, coloque 100 mililitros de solução de galvanoplastia de cobre aquiescente em um béquer de 250 mililitros. Mergulhe a amostra na solução de revestimento.

E conecte-o ao terminal negativo de um aparelho de eletrodeposição de dois eletrodos. Em seguida, conecte uma barra de metal de cobre ao terminal positivo do aparelho. Aplique uma corrente constante de cinco miliamperes para atingir uma densidade de corrente de três miliamperes por centímetro quadrado por 15 minutos, para depositar uma camada de cobre de 1,5 mícron de espessura na amostra.

O croqueting é a etapa crítica na fabricação. A densidade de corrente e o tempo de galvanoplastia afetam a morfologia da malha metálica e o desempenho final, e devem ser testados e otimizados com suas próprias amostras. Enxágue bem a amostra galvanizada com água deionizada e seque-a sob uma corrente de ar comprimido.

Mergulhe a amostra em acetona por cinco minutos para dissolver o fotorresistente restante para deixar uma malha de metal nua sobre a superfície de vidro FTO. Enxágue e seque a amostra com água deionizada e ar comprimido. Em seguida, coloque a amostra no cilindro de uma prensa hidráulica com a malha de metal voltada para cima.

Cubra a amostra com um filme de copolímero de olefina cíclica de 100 mícrons de espessura com uma temperatura de transição vítrea de 78 graus Celsius. Aqueça as placas a 100 graus Celsius e, em seguida, aplique 15 milipascais de pressão de impressão à amostra por cinco minutos. Puxe as placas a 40 graus Celsius antes de liberar a pressão de impressão.

Pressão e temperatura são interesses principais importantes na etapa de transferência de impressão. Certifique-se de que sua impressão e pressão sejam uniformes e altas o suficiente para a transferência completa. A temperatura deve ser aproximadamente 20 graus mais alta do que a temperatura de transição vítrea do material do substrato.

Descasque cuidadosamente o filme de polímero com a malha embutida da superfície de vidro FTO para obter o EMTE. Para começar a preparar um EMTE submicrônico, limpe um pedaço de vidro FTO de três centímetros por três centímetros com detergente líquido e água deionizada seguida de sonicação em isopropanol. Coloque o vidro FTO limpo e seco em um revestidor e aplique 100 microlitros de PMMA a 4% em peso em anastole.

Gire o vidro a 2500 RPM por 60 segundos para produzir um filme de 150 nanômetros de espessura. Asse o filme a 170 graus Celsius por 30 minutos, depois inicie o sistema de litografia por feixe de elétrons e prepare um padrão de malha com um gerador de padrões. Coloque a amostra no sistema de litografia por feixe de elétrons e execute o processo de padronização.

Desenvolva o PMMA por imersão em uma mistura de um a três de metil-isopropil-cetona e isopropanol por 60 segundos. Enxágue a amostra padronizada com água deionizada e seque-a sob uma corrente de ar comprimido. Em seguida, coloque a amostra padronizada em solução de galvanoplastia de cobre e conecte a amostra ao terminal negativo de um aparelho de eletrodeposição de dois eletrodos.

Conecte o terminal positivo a uma barra de cobre e metal. Aplique uma corrente constante para atingir uma densidade de corrente de três miliamperes por centímetro quadrado por dois minutos para colocar 200 nanômetros de cobre na amostra. Enxágue a amostra com água deionizada e mergulhe a amostra em acetona por cinco minutos para dissolver o PMMA.

Em seguida, coloque a amostra no cilindro de uma prensa hidráulica. Cubra a amostra com um filme de copolímero de olefina cíclica de 100 mícrons de espessura com uma temperatura de transição vítrea de 78 graus Celsius. Aqueça as placas a 100 graus Celsius e aplique 15 milipascais de pressão de impressão por cinco minutos.

Resfrie as placas a 40 graus Celsius antes de liberar a pressão. Retire cuidadosamente o filme do vidro FTO para obter o EMTE submicrométrico. Para iniciar as medições de resistência da folha, primeiro espalhe a prata nas bordas opostas do EMTE e deixe a pasta secar.

Coloque as quatro sondas do dispositivo de medição de resistência da folha nas linhas de pasta de prata de acordo com as instruções do fabricante do dispositivo. Meça e registre a resistência da folha. Para realizar medições de transmissão óptica, primeiro coloque o EMTE no suporte de amostra de um espectrofotômetro UV vis calibrado ajustado para 100% de transmitância.

Alinhe a amostra perpendicularmente ao feixe. Adquira um espectro de transmissão do EMTE para avaliar a eletrotransparência. EMTEs de cobre foram fabricados com vários padrões de grade para avaliar o efeito da geometria da grade nas propriedades do eletrodo.

A proporção de condutância elétrica para condutância óptica para EMTEs de cobre a 550 nanômetros foi superior a 1,5 vezes 10 elevado a quarto. Malhas mais espessas corresponderam a menor transmitância óptica e resistência da folha. Passos maiores corresponderam a maior resistência e transmitância da folha.

Os EMTEs foram fabricados com vários metais usando uma malha de passo de 50 mícrons, todos os quais mostraram espectros de transmitância planos e sem características. Com a mesma relação entre a espessura da malha e a transmitância, a transmitância e a resistência da folha podem primeiro ser ajustadas ajustando a geometria e a composição da malha. A resistência da chapa dos EMTEs de cobre foi avaliada em relação aos ensaios de flexão compressiva e de tração.

Nenhuma alteração significativa foi observada para os ensaios de flexão compressiva de quatro e cinco milímetros. A resistência da chapa é gradualmente aumentada com testes de flexão de tração. Nenhuma degradação e resistência da folha foi observada ao longo de 24 horas de exposição à água, isopropanol ou atmosfera quente e úmida.

Novos alunos podem aprender essa técnica em poucos dias. Uma vez dominado, todo o processo de fabricação pode ser feito em duas a três horas e o equipamento está pronto. Essa técnica abre caminho para o uso de métodos de fabricação de processos de solução escalável para desenvolver novos dispositivos micro e nanoestruturados, como nossa micro malha metálica autoancorada e de alta proporção, embutida em substrato flexível.

Muitas aplicações, como painéis de toque, sensores de deslocamento e células solares, podem se beneficiar de nossos eletrodos transparentes de malha metálica incorporados de alto desempenho. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa compreensão de como usar esse processo de fabricação baseado em solução para produzir dados reais transparentes de malha de metal. Obrigado por assistir, estamos abertos a colaborações.