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

Общая цель данной процедуры — использовать основанный на растворах процесс изготовления, сочетающий литографию, электроосаждение и импринт-перенос для создания высокоэффективной гибкой прозрачной проводящей пленки с самозакрепленной, полностью встроенной металлической микросеткой. Такая сетка позволяет решить ключевые проблемы, с которыми сталкиваются будущие гибкие электронные устройства на основе металлических сеток, такие как неровности поверхности, низкая производительность изготовления и высокая стоимость производства. Встроенная металлическая сетка обеспечивает ряд преимуществ, таких как критически важная самогладкость, механическая стабильность, высокая термостойкость, сильная адгезия к гибкой подложке, а также устойчивость к воздействию влаги, кислорода и химических веществ.

Наш процесс основан на осаждении металлов методом электрохимического осаждения из раствора; он прост в реализации для обеспечения высокой пропускной способности, большого объема и низкой стоимости производства. Моя группа помогла группе доктора Венди Ли протестировать размерную стабильность процесса изготовления металлической сетки путем создания рисунка металлической сетки с размером 400 nanometer с помощью нашей собственной системы электронно-лучевой литографии. Мой ассистент Сюн Цзе продемонстрирует процесс электронно-лучевого структурирования.

Для начала изготовления EMTE очистите кусочек стекла с покрытием из оксида олова, легированного фтором, размером 3 см на 3 см с помощью жидкого моющего средства и ватного тампона. Тщательно промойте стеклянную подложку деионизированной водой и удалите остатки моющего средства другим тампоном. Обработайте стекло FTO в изопропаноле в ультразвуковой ванне в течение 30 секунд при частоте 40 кГц.

Затем высушите чистое стекло сжатым воздухом. После этого поместите чистое сухое стекло с FTO в центрифугу для нанесения покрытий (спин-коатер) и нанесите 100 microliters позитивного фоторезиста. Выполните центрифугирование стекла при 4 000 RPM в течение 60 секунд, чтобы получить слой толщиной 1.8 micron.

Запекайте покрытое стекло при 100 °C в течение 50 секунд. Накройте покрытое стекло маской с сетчатым рисунком и подвергните фоторезист воздействию УФ-излучения с достаточной интенсивностью для достижения плотности потока энергии 20 mJ/cm². Затем погрузите покрытое стекло в подходящий проявитель на 50 секунд, чтобы удалить экспонированный фоторезист.

Промойте образец деионизированной водой и высушите его струей сжатого воздуха. Затем налейте 100 мл раствора для медного электролитического осаждения в стакан объемом 250 мл. Погрузите образец в раствор для осаждения.

Подсоедините его к отрицательному выводу двухэлектродной установки для электроосаждения. Затем подсоедините медную металлическую пластину к положительному выводу установки. Подавайте постоянный ток силой 5 mA в течение 15 минут для достижения плотности тока 3 mA/cm², чтобы осадить на образец слой меди толщиной 1,5 micron.

Процесс крокетирования является критическим этапом изготовления. Плотность тока и время электролиза влияют на морфологию металлической сетки и конечные характеристики, поэтому их следует протестировать и оптимизировать на ваших собственных образцах. Тщательно промойте электролизированный образец деионизированной водой и высушите его струей сжатого воздуха.

Погрузите образец в ацетон на пять минут, чтобы растворить остатки фоторезиста, после чего на поверхности стекла FTO останется открытая металлическая сетка. Промойте и высушите образец деионизированной водой и сжатым воздухом. Затем поместите образец на плиту гидравлического пресса металлической сеткой вверх.

Накройте образец пленкой из циклического олефинового сополимера толщиной 100 micron с температурой стеклования 78 °C. Нагрейте плиты до 100 °C, затем приложите к образцу давление импринтинга 15 millipascals в течение пяти минут. Охладите плиты до 40 °C перед снятием давления импринтинга.

Давление и температура являются важнейшими параметрами на этапе переноса оттиска. Убедитесь, что прижим и давление равномерны и достаточно высоки для полного переноса. Температура должна быть примерно на 20 °C выше температуры стеклования материала подложки.

Осторожно отделите полимерную пленку с встроенной сеткой от поверхности стекла с FTO, чтобы получить EMTE. Для подготовки субмикронного EMTE очистите фрагмент стекла с FTO размером 3 см на 3 см с помощью жидкого моющего средства и деионизированной воды, после чего подвергните его ультразвуковой очистке в изопропаноле. Поместите чистое сухое стекло с FTO в центрифужный наноситель и нанесите 100 µL 4% по весу раствора PMMA в анастоле.

Нанесите раствор на стекло методом центрифугирования при 2500 RPM в течение 60 секунд для получения пленки толщиной 150 нанометров. Запекайте пленку при 170 °C в течение 30 минут, затем запустите систему электронно-лучевой литографии и создайте сетчатый шаблон с помощью генератора шаблонов. Поместите образец в систему электронно-лучевой литографии и запустите процесс формирования рисунка.

Проявите ПММА, погрузив образец на 60 секунд в смесь метилизопропилкетона и изопропанола в соотношении от 1:1 до 1:3. Промойте структурированный образец деионизированной водой и высушите его струей сжатого воздуха. Затем поместите структурированный образец в раствор для медного электроплакирования и подключите его к отрицательному полюсу двухэлектродной установки для электроосаждения.

Подсоедините положительный вывод к медной металлической шине. Подайте постоянный ток для достижения плотности тока 3 mA/cm² в течение двух минут, чтобы нанести слой меди толщиной 200 nm на образец. Промойте образец деионизированной водой и погрузите его в ацетон на пять минут для растворения PMMA.

Затем поместите образец на плиту гидравлического пресса. Накройте образец пленкой из циклического олефинового сополимера толщиной 100 micron с температурой стеклования 78 °C. Нагрейте плиты до 100 °C и приложите давление импринтинга 15 millipascals в течение пяти минут.

Охладите плиты до 40 °C, прежде чем сбросить давление. Осторожно отделите пленку от стекла с FTO, чтобы получить субмикронный EMTE. Для начала измерений поверхностного сопротивления сначала нанесите серебряную пасту на противоположные края EMTE и дайте пасте высохнуть.

Поместите четыре зонда прибора для измерения поверхностного сопротивления на линии из серебряной пасты в соответствии с инструкциями производителя устройства. Измерьте и запишите значение поверхностного сопротивления. Для проведения измерений оптического пропускания сначала поместите EMTE в держатель образцов откалиброванного УФ-видимого спектрофотометра, настроенного на 100% пропускания.

Расположите образец перпендикулярно пучку. Снимите трансмиссионный спектр EMTE для оценки электропрозрачности. Медные EMTE были изготовлены с различными вариантами рисунка сетки для изучения влияния геометрии сетки на свойства электродов.

Отношение электрической проводимости к оптической проводимости медных EMTE на длине волны 550 нанометров превышало 1,5 × 10⁴. Более толстые сетки характеризовались более низким оптическим пропусканием и более низким поверхностным сопротивлением. Больший шаг сетки соответствовал более высокому поверхностному сопротивлению и более высокому пропусканию.

EMTE были изготовлены из различных металлов с использованием сетки с шагом 50 микрон; для всех образцов спектры пропускания оказались плоскими и без особенностей. При сохранении одной и той же зависимости между толщиной сетки и пропусканием, значения пропускания и поверхностного сопротивления можно настраивать, регулируя геометрию и состав сетки. Поверхностное сопротивление медных EMTE было оценено в ходе тестов на изгиб при сжатии и растяжении.

При проведении испытаний на изгиб при сжании с радиусом 4 мм и 5 мм значимых изменений не наблюдалось. При испытаниях на изгиб при растяжении отмечалось постепенное увеличение поверхностного сопротивления. В течение 24 часов воздействия воды, изопропанола или горячей и влажной среды деградации и изменения поверхностного сопротивления не наблюдалось.

Новые студенты могут освоить эту методику за несколько дней. После того как навык будет отработан, весь процесс изготовления может быть завершен за два-три часа, и оборудование будет готово. Эта техника открывает путь к использованию масштабируемых методов изготовления с применением растворов для разработки новых микро- и наноструктурированных устройств, таких как наша самозакрепленная металлическая микросетка с высоким аспектом, встроенная в гибкую подложку.

Многие устройства, такие как сенсорные панели, датчики смещения и солнечные элементы, могут быть усовершенствованы за счет использования наших высокопроизводительных встроенных прозрачных электродов с металлической сеткой. После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как использовать этот метод изготовления на основе растворов для создания прозрачных структур с металлической сеткой. Благодарим за просмотр, мы открыты для сотрудничества.