Method Article

Масштабируемая стратегия обработки, разработанная для высокопроизводительных, гибких, прозрачных электродов с встроенной металлической сеткой

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

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

Этот протокол описывает стратегию изготовления на основе решений для высокопроизводительных, гибких, прозрачных электродов с полностью встроенной толстой металлической сеткой. Гибкие прозрачные электроды, изготовленные по этому процессу, демонстрируют самые высокие показатели, включая сверхнизкое сопротивление листа, высокую оптическую проходимость, механическую стабильность при изгибе, прочную адгезию подложки, плавность поверхности и стабильность окружающей среды.

Abstract

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

Здесь авторы сообщают о внедренном прозрачном электроде из металлической сетки (EMTE) - новом прозрачном электроде (TE) с металлической сеткой, полностью встроенной в полимерную пленку. В этом документе также представлен недорогой, без вакуума способ изготовления этого нового ТЕ; Подход сочетает обработку литографии, гальванизации и переноса отпечатков (LEIT). Встроенный характер EMTE предлагает множество преимуществ, таких как высокая гладкость поверхности, что важно для производства органических электронных устройств; Превосходная механическая стабильность при изгибе; Благоприятное сопротивление химическим веществам и влаге; И прочная адгезия с пластиковой пленкой. Производство LEIT представляет собой процесс гальванизации для вакуумного осаждения металлов и благоприятствует промышленному массовому производству. Кроме того, LEIT позволяет изготавливать металлическую сетку с высоким соотношением сторон ( т. Е. Толщиной до ширины линии), значительно увеличивая ее электропроводность, не отрицая потери оптического transmittance. Мы демонстрируем несколько прототипов гибких EMTE с сопротивлением листа менее 1 Ω / sq и коэффициентами пропускания более 90%, что приводит к очень высоким показателям достоинства (FoM) - до 1,5 x 10 4 - которые являются одними из лучших значений в Опубликованная литература.

Introduction

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

Во всем мире проводятся исследования по замене жестких прозрачных проводящих оксидов (ТСО), таких как оксид индия-олова и пленки с оксидом олова (FTO), легированные фтором, для изготовления гибких / растяжимых ТЭ, которые будут использоваться в будущих гибких / Растяжимые оптоэлектронные устройства 1 . Это требует новых материалов с новыми методами изготовления.

Изучены наноматериалы, такие как графен 2 , проводящие полимеры 3 , 4 , углеродные нанотрубки 5 и случайные металлические нанопроволочные сети 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 и продемонстрировали свои возможности в гибких ТЭ, устраняя недостатки Существующие ТСО на основе ТСО, Включая хрупкость пленки 12 , коэффициент пропускания инфракрасного диапазона 13 и низкий уровень 14 . Даже при таком потенциале все еще сложно достичь высокой электрической и оптической проводимости без ухудшения при непрерывном изгибе.

В этих рамках регулярные металлические сетки 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 эволюционируют как перспективный кандидат и обладают удивительно высокой оптической прозрачностью и низким сопротивлением листа, которые могут быть настроены по требованию. Тем не менее, широкое использование TE на основе металлической сетки было затруднено из-за многочисленных проблем. Во-первых, изготовление часто связано с дорогостоящим осаждением металлов 16 , 17 , 18 , 21 . Во-вторых, толщина может легко вызвать электрическое короткое замыкание 22 , 23 , 24 , 25 в тонкопленочных органических оптоэлектронных устройствах. В-третьих, слабая адгезия с поверхностью подложки приводит к плохой гибкости 26 , 27 . Вышеупомянутые ограничения создали спрос на новые TE-структуры на основе металлической сетки и масштабируемые подходы для их изготовления.

В этом исследовании мы сообщаем о новой структуре гибких ТЭ, которая содержит металлическую сетку, полностью встроенную в полимерную пленку. Мы также описываем инновационный подход, основанный на решениях и недорогой технологии, который сочетает в себе литографию, электроосаждение и передачу отпечатка. Значения FoM, достигающие 15k, были достигнуты на образцах EMTE. Из-за встроенного характераНаблюдались EMTE, замечательная химическая, механическая и экологическая стабильность. Кроме того, технология изготовления обработанного решения, установленная в этой работе, потенциально может быть использована для недорогого и высокопроизводительного производства предлагаемых EMTE. Эта технология изготовления масштабируется до более тонких линий сетки металлической сетки, больших площадей и ряда металлов.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

ВНИМАНИЕ: Пожалуйста, обратите внимание на безопасность электронного луча. Пожалуйста, надевайте защитные очки и одежду. Также тщательно обрабатывайте все легковоспламеняющиеся растворители и растворы.

1. Изготовление на основе фотолитографии EMTE

  1. Фотолитография для изготовления сетчатой ​​структуры.
    1. Очистите подложки из стекловолокна FTO (3 см х 3 см) с помощью жидкого моющего средства с использованием ватного тампона. Промойте их тщательно деионизированной (DI) водой, используя чистый ватный тампон. Затем очистите их с помощью ультразвука (частота = 40 кГц, температура = 25 ° C) в изопропиловом спирте (IPA) в течение 30 с, прежде чем высушить их сжатым воздухом.
      ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ: Обращайтесь с сжатым воздухом осторожно.
    2. Spincoat 100 мкл фоторезиста на очищенном FTO-стекле в течение 60 с при 4000 об / мин (приблизительно 350 xg для образцов с радиусом 2 см), чтобы получить однородную пленку толщиной 1,8 мкм.
    3. Выпекать пленку фоторезиста на конфорке в течение 50 с при100 ° C.
    4. Экспозиция фоторезистской пленки через фотомаску с сетчатым рисунком (ширина линии 3 мкм, шаг 50 мкм) с использованием выравнивателя УФ-маски для дозы 20 мДж / см 2 .
    5. Разработайте фоторезист, погрузив образец в раствор для проявителя в течение 50 с.
    6. Промойте образец водой DI и высушите его сжатым воздухом.
      ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ: Обращайтесь с сжатым воздухом осторожно.
  2. Электроосаждение металлов.
    1. Налейте 100 мл водного раствора для покрытия меди в стакане емкостью 250 мл.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Для изготовления EMTE с соответствующими металлами могут использоваться другие водные растворы для покрытия ( например, серебро, золото, никель и цинк).
      ВНИМАНИЕ: Обратите внимание на химическую безопасность.
    2. Подсоедините стекло FTO, покрытое фоторезистом, к отрицательной клемме двухэлектродной установки электроосаждения и погрузите ее в раствор для покрытия в качестве рабочего электрода.
    3. Подключите медный металлический стерженьК положительной клемме двухэлектродной установки электроосаждения в качестве противоэлектрода.
    4. Подавайте постоянный ток 5 мА (плотность тока: ~ 3 мА / см 2 ) с помощью источника питания и измерительного прибора ( например, Sourcemeter) в течение 15 минут, чтобы осадить металл до толщины приблизительно 1,5 мкм.
    5. Тщательно промойте покрытый фоторезистом образец FTO-стекла водой DI и высушите его сжатым воздухом.
      ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ: Обращайтесь с сжатым воздухом осторожно.
    6. Поместите образец FTO-стекла с покрытием из фоторезиста в ацетон в течение 5 минут, чтобы растворить фоторезистентную пленку, с голыми металлическими сетками поверх стекла FTO.
  3. Передача металлической сетки на гибкую подложку.
    1. Поместите образец стекла FTO с металлической сеткой на пластины с электрическим нагревом термопринтера и нанесите на слой образца гибкую пленку с циклическим олефиновым сополимером (COC) толщиной 100 мкм, обращенную к поверхностиМеталлическая сетчатая сторона.
    2. Нагрейте пластины нагретого пресса до 100 ° C.
    3. Нанесите 15 МПа давления отпечатка и удерживайте его в течение 5 мин.
      ВНИМАНИЕ: При использовании нагретого пресса обратите внимание на безопасность.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Передача отпечатка может выполняться при более низком давлении; Приведенное здесь значение давления (15 МПа) относительно велико. Это высокое давление было использовано для обеспечения полной интеграции металлической сетки в пленку COC.
    4. Охладите нагретые плиты до температуры выталкивания 40 ° C.
    5. Отпустите давление отпечатка.
    6. Слейте пленку COC из стекла FTO, с металлической сеткой, полностью встроенной в пленку COC.

2. Изготовление субмикронных EMTE

  1. Изготовление субмикронных EMTE с использованием электронно-лучевой литографии (EBL).
    1. Spinkoat 100 мкл раствора полиметилметакрилата (ПММА) (15 тыс. МВт, 4 мас.% В анизоле) на очищенном FTO-стекле на 60 саT 2500 об / мин (приблизительно 140 xg для образцов с радиусом 2 см) для достижения однородной пленки толщиной 150 нм.
    2. Выпекать ПММА-пленку на конфорке в течение 30 мин при температуре 170 ° С.
    3. Включите систему EBL и создайте сетчатый рисунок (ширина линии 400 нм, шаг 5 мкм) с использованием генератора шаблонов 29 .
    4. Поместите образец в сканирующий электронный микроскоп, подключенный к генератору шаблонов, и выполните процесс записи 29 .
    5. Разработайте резист в течение 60 с в смешанном растворе метилизопропилкетона и изопропанола с соотношением 1: 3.
    6. Промойте образец водой DI и высушите его сжатым воздухом.
      ПРЕДОСТЕРЕЖЕНИЕ: Обращайтесь с сжатым воздухом осторожно.
    7. Поместите 100 мл водного раствора для нанесения меди в стакан среднего размера.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Для изготовления EMTE с соответствующими металлами следует использовать другие водные растворы для покрытия ( например, растворы серебра, золота, никеля и цинка)
    8. Прикрепите стекло FTO с покрытием PMMA к отрицательной клемме двухэлектродной установки электроосаждения, окуните ее в раствор для нанесения покрытия в качестве рабочего электрода и соедините медный металлический стержень с положительной клеммой для завершения цепи.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Для соответствующих металлических электроосаждений следует использовать другие металлические стержни ( например, серебро, золото, никель и цинк).
    9. Примените подходящий ток, соответствующий плотности тока приблизительно 3 мА / см 2 , к области сетчатой ​​структуры в течение 2 мин для осаждения металла до толщины приблизительно 200 нм (фактическая толщина должна определяться SEM или AFM).
    10. Осторожно промойте образец водой DI и поместите его в ацетон в течение 5 минут, чтобы растворить ПММА-пленку.
    11. Поместите образец металлического сетчатого стекла FTO на электрически нагреваемые плиты термопринтера и поместите пленку COC (толщиной 100 мкм) поверх образца.
    12. Нагрейте плиты до 100 ° C, нанесите 15MPa, и удерживайте его в течение 5 мин.
    13. Охладите нагретые плиты до температуры выталкивания 40 ° C и отпустите давление отпечатка.
    14. Слейте пленку COC из стекла FTO вместе с металлической сеткой из микробита, полностью встроенной в пленку COC.

3. Измерение эффективности EMTE

  1. Измерение сопротивления листа.
    1. Распределите серебряную пасту на двух противоположных краях квадратного образца и подождите, пока она не высохнет.
    2. Осторожно поместите четыре датчика измерения сопротивления на серебряные колодки, следуя инструкциям по оборудованию.
    3. Переключитесь в режим измерения сопротивления источника питания / измерительного прибора и запишите значение на дисплее.
  2. Измерение оптической передачи.
    1. Включите настройку измерения UV-Vis и откалибруйте спектрометр ( т. Е. Сравните показания с остроумиемГа стандартного образца для проверки точности прибора).
    2. Поместите образец EMTE на держатель образца спектрометра и правильно выровняйте оптическое направление.
    3. Отрегулируйте спектрометр на 100% коэффициент пропускания.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Все значения пропускания, представленные здесь, нормализуются к абсолютному пропусканию через голый субстрат пленки COC.
    4. Измерьте коэффициент пропускания образца.
    5. Сохраните измерение и выйдите из системы.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

На рисунке 1 показана схематическая и производственная блок-схема образцов EMTE. Как показано на рисунке 1a , EMTE состоит из металлической сетки, полностью встроенной в полимерную пленку. Верхняя грань сетки находится на том же уровне, что и подложка, отображая в целом гладкую платформу для последующего производства устройства. Техника изготовления схематически поясняется на ри...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Наш метод изготовления может быть дополнительно модифицирован, чтобы обеспечить масштабируемость размеров и областей выборки и для использования различных материалов. Успешное изготовление ширины линии субмикрометра ( рис. 3a-3c ) с использованием EBL доказывает, что структура EMTE и ключевые этапы производства LEIT, включая гальванизацию и передачу отпечатка, могут быть надежно уменьшены до диапазона субмикрометра. Аналогично, для создания образцов с высоким разрешением в пленке резист...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgements

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

Эта работа была частично поддержана Фондом общих исследований Совета по грантам исследований Специального административного района Гонконга (Премия № 17246116), Программа молодых ученых Национального фонда естественных наук Китая (61306123), Программа фундаментальных исследований - (JCYJ20140903112959959), а также ключевую программу исследований и разработок в Областном департаменте науки и технологий провинции Чжэцзян (2017C01058). Авторы хотели бы поблагодарить Y.-T. Хуан и С. П. Фэн за помощь в оптических измерениях.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
АцетонСигма-ОлдричW332615легковоспламеняющийся
изопропанолСигма-Олдрич190764легковоспламеняющиеся
стеклянные подложки FTOЮжный Китай Xiang S& T, Китай
ФоторезистClariant, Швейцария54611L11AZ 1500 Положительный тон резист (20cP)
УФ-маска ВыравнивательКитайская академия наук,Китай URE-2000/35
Проявитель фоторезистаClariant, Швейцария184411AZ 300 MIF
Проявитель Cu, Ag, Au, Ni и Zn Гальванические растворыCaswell, СШАГотовые к использованию решения (PLUG N' PLATE)
Keithley 2400 SourceMeterKeithley, США41J2103
COC Пластиковые пленкиTOPAS, ГерманияF13-19-1Grade 8007 (Температура стеклования: 78 °°; C)
Гидравлический прессSpecac Ltd., ВеликобританияGS15011С малотоннажным комплектом (0-1 тоннаж)
Регулятор температурыSpecac Ltd., ВеликобританияGS15515Нагреваемые плиты с водяным охлаждением и контроллер
ChillerGrant Instruments, ВеликобританияT100-ST5
Полиметилметакрилат (ПММА)Sigma-Aldrich200336
анизолSigma-Aldrich96109Легковоспламеняющаяся
установка EBLPhilips, НидерландыFEI XL30Сканирующий электронный микроскоп, оснащенный генератором шаблонов JC Nabity   
ИзопропилкетонСигма-Олдрич108-10-1
Серебряная пастаTed Pella, Inc, США16031
UV– Спектрометр VisPerkin Elmer, СШАL950

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Bonaccorso, F., Sun, Z., Hasan, T., Ferrari, A. C. Graphene photonics and optoelectronics. Nat Photonics. 4 (9), 611-622 (2010).
  3. Kirchmeyer, S., Reuter, K. Scientific importance, properties and growing applications of poly(3,4-ethylenedioxythiophene). J Mater Chem. 15 (21), 2077-2088 (2005).
  4. 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).
  5. Zhang, M., et al. Strong, Transparent, Multifunctional, Carbon Nanotube Sheets. Science. 309 (5738), 1215-1219 (2005).
  6. 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).
  7. van de Groep, J., Spinelli, P., Polman, A. Transparent Conducting Silver Nanowire Networks. Nano Lett. 12 (6), 3138-3144 (2012).
  8. Hong, S., et al. Highly Stretchable and Transparent Metal Nanowire Heater for Wearable Electronics Applications. Adv Mater. 27 (32), 4744-4751 (2015).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Kumar, A., Zhou, C. The Race To Replace Tin-Doped Indium Oxide: Which Material Will Win? ACS Nano. 4 (1), 11-14 (2010).
  15. 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).
  16. Wu, H., et al. A Transparent Electrode Based on a Metal Nanotrough Network. Nat Nanotechnol. 8 (6), 421-425 (2013).
  17. Han, B., et al. Uniform Self-Forming Metallic Network as a High-Performance Transparent Conductive Electrode. Adv Mater. 26 (6), 873-877 (2014).
  18. Kim, H. -J., et al. High-Durable AgNi Nanomesh Film for a Transparent Conducting Electrode. Small. 10 (18), 3767-3774 (2014).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Ahn, B. Y., et al. Omnidirectional Printing of Flexible, Stretchable, and Spanning Silver Microelectrodes. Science. 323 (5921), 1590-1593 (2009).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Ellmer, K. Past achievements and future challenges in the development of optically transparent electrodes. Nat Photonics. 6 (12), 809-817 (2012).
  27. Choi, H. -J., et al. Uniformly embedded silver nanomesh as highly bendable transparent conducting electrode. Nanotechnol. 26 (5), 055305(2015).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Manfrinato, V. R., et al. Resolution Limits of Electron-Beam Lithography toward the Atomic Scale. Nano Lett. 13 (4), 1555-1558 (2013).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Embedded Metal MeshTransparent ElectrodeSolution ProcessingLithography Electroplating Imprint TransferElectroplating ProcessMetal Mesh FabricationFlexible Transparent ElectrodesHigh Aspect Ratio MeshSheet Resistance MeasurementOptical Transmittance Analysis

Related Articles