Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

قابلة للتطوير حل معالجتها استراتيجية تصنيع عالية الأداء، مرنة، أقطاب شفافة مع شبكة معدنية جزءا لا يتجزأ

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

يصف هذا البروتوكول استراتيجية تلفيق القائم على حل للأقطاب عالية الأداء ومرنة وشفافة مع جزءا لا يتجزأ من، شبكة معدنية سميكة. أقطاب شفافة مرنة ملفقة من قبل هذه العملية تظهر بين أعلى أداء ذكرت، بما في ذلك مقاومة منخفضة جدا ورقة، ونفاذية بصرية عالية والاستقرار الميكانيكي تحت الانحناء، التصاق الركيزة قوية، نعومة السطح، والاستقرار البيئي.

Abstract

هنا، فإن المؤلفين تقرير جزءا لا يتجزأ من شبكة معدنية معدنية شفافة (إمت)، قطب شفاف جديد (تي) مع شبكة معدنية جزءا لا يتجزأ تماما في فيلم البوليمر. تقدم هذه الورقة أيضا منخفضة التكلفة، خالية من فراغ طريقة التصنيع لهذه الرواية تي. النهج يجمع بين الطباعة الحجرية، والطلاء بالكهرباء، ونقل بصمة (ليت) المعالجة. وتوفر الطبيعة المضمنة ل إمتس العديد من المزايا، مثل نعومة السطح العالية، وهو أمر ضروري لإنتاج الأجهزة الإلكترونية العضوية؛ الاستقرار الميكانيكية متفوقة خلال الانحناء؛ مقاومة مواتية للمواد الكيميائية والرطوبة؛ والتصاق قوي مع فيلم من البلاستيك. ليت تلفيق يتميز عملية الطلاء الكهربائي لترسب المعادن خالية من فراغ ومواتية للإنتاج الضخم الصناعي. وعلاوة على ذلك، يسمح ليت لتصنيع شبكة معدنية مع نسبة ارتفاع عالية ( أي سمك لينويدث)، وتعزيز كبير في تصرفها الكهربائي دون خسارة سلبا تر البصريةansmittance. نحن نبرهن على نماذج متعددة من إمتس مرنة، مع مقاومة ورقة أقل من 1 Ω / متر مربع والنفاذية أكبر من 90٪، مما أدى إلى أرقام عالية جدا من الجدارة - ما يصل إلى 1.5 × 10 4 - وهي من بين أفضل القيم في المؤلفات المنشورة.

Introduction

ويجري في جميع أنحاء العالم إجراء دراسات للبحث عن بدائل للأكاسيد الموصلات الشفافة الصلبة، مثل أكسيد القصدير الإنديوم وأكسيد القصدير المخدر بالفلورين (فتو)، وذلك من أجل تفريق تيس مرنة / قابلة للتمديد لاستخدامها في المستقبل / الأجهزة الضوئية لمط 1 . وهذا يتطلب مواد جديدة مع أساليب تصنيع جديدة.

وقد درست المواد النانوية، مثل الجرافين 2 ، والبوليمرات 3 و 4 والأنابيب النانوية الكربونية 5 ، وشبكات أسلاك متناهية الصغر المعدنية العشوائية 6 و 7 و 8 و 9 و 10 و 11 ، وأظهرت قدراتها في أنظمة تيس مرنة، تعالج أوجه القصور في (تيس) القائمة على تكو، بما في ذلك هشاشة 12 ، وانخفاض نفاذية الأشعة تحت الحمراء 13 ، وفرة منخفضة 14 . حتى مع هذه الإمكانات، فإنه لا يزال من الصعب تحقيق عالية الكهربائية والبصرية تصرف دون تدهور تحت الانحناء المستمر.

في هذا الإطار، يتشكل المعدن العادي 15 ، 16 ، 17 ، 18 ، 19 ، 20 تتطور كمرشح واعد وقد أنجزت بشكل ملحوظ الشفافية البصرية العالية ومقاومة ورقة منخفضة، والتي يمكن أن تكون الانضباطي على الطلب. ومع ذلك، فقد أعيق الاستخدام الواسع النطاق لشبكات تيس التي تعتمد على شبكات معدنية بسبب العديد من التحديات. أولا، تلفيق غالبا ما ينطوي على مكلفة، ترسب فراغ القائم على المعادن 16 ، 17 ، 18 ، 21 . ثانيا، سمك قد يسبب بسهولة الكهربائية قصيرة الدائرة 22 ، 23 ، 24 ، 25 في الأغشية الرقيقة الأجهزة الضوئية العضوية. ثالثا، التصاق ضعيف مع نتائج السطح الركيزة في ضعف المرونة 26 ، 27 . وقد أفضت القيود المذكورة أعلاه إلى إنشاء هياكل تي جديدة تعتمد على شبكة معدنية، ومناهج قابلة للتطوير.

في هذه الدراسة، ونحن تقرير هيكل جديد من تيس مرنة التي تحتوي على شبكة معدنية جزءا لا يتجزأ تماما في فيلم البوليمر. نحن أيضا وصف مبتكرة، القائم على حل، ومنخفضة التكلفة تلفيق النهج الذي يجمع بين الطباعة الحجرية، إليكتروديبوسيتيون، ونقل بصمة. وقد تم تحقيق قيم ال فوم التي تصل إلى 15 ألف على عينة إمت. نظرا لطبيعة جزءا لا يتجزأ منوقد لوحظت إمتس، والكيميائية ملحوظا، والميكانيكية، والاستقرار البيئي. وعلاوة على ذلك، يمكن استخدام تقنية التصنيع المصنعة للحل التي أنشئت في هذا العمل لإنتاج منخفضة التكلفة وإنتاجية عالية من إمتس المقترحة. هذه التقنية تلفيق قابلة لل أدق شبكة معدنية لينويدثس، مساحات أكبر، ومجموعة من المعادن.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

تنبيه: يرجى الانتباه إلى سلامة شعاع الالكترون. يرجى ارتداء النظارات الواقية الصحيحة والملابس. أيضا، التعامل مع جميع المذيبات القابلة للاشتعال والحلول بعناية.

1. فوتوليثوغرافي القائم على تصنيع إمت

  1. فوتوليثوغرافي لتفريق نمط شبكة.
    1. تنظيف ركائز فتو الزجاج (3 سم × 3 سم) مع المنظفات السائلة باستخدام مسحة القطن. شطف لهم جيدا مع منزوع الأيونات (دي) المياه باستخدام مسحة القطن نظيفة. مزيد من تنظيفها باستخدام فائقة سونيكاتيون (تردد = 40 كيلوهرتز، ودرجة الحرارة = 25 درجة مئوية) في الكحول الآيزوبروبيل (إيبا) لمدة 30 ثانية قبل تجفيفها مع الهواء المضغوط.
      تنبيه: التعامل مع الهواء المضغوط بعناية.
    2. سبينكوات 100 ميكرولتر من مقاوم الضوء على الزجاج فتو تنظيفها لمدة 60 ثانية في 4000 دورة في الدقيقة (حوالي 350 x ج للعينات مع دائرة نصف قطرها 2 سم) للحصول على 1.8 ميكرون سميكة، فيلم موحد.
    3. خبز الفيلم مقاومة للضوء على موقد لمدة 50 ثانية في100 درجة مئوية.
    4. فضح فيلم مقاوم للضوء من خلال الضوئية مع نمط شبكة (3 ميكرون لينويدث، 50 ميكرون الملعب) باستخدام أليغنر قناع الأشعة فوق البنفسجية لجرعة 20 ميج / سم 2 .
    5. تطوير مقاوم للضوء من خلال غمر العينة في حل المطور لمدة 50 ثانية.
    6. شطف العينة في الماء دي وتجفيفه مع الهواء المضغوط.
      تنبيه: التعامل مع الهواء المضغوط بعناية.
  2. الإلكترودبوسيتيون من المعادن.
    1. صب 100 مل من النحاس محلول طلاء مائي في كوب 250 مل.
      ملاحظة: يمكن استخدام حلول الطلاء المائية الأخرى (على سبيل المثال، الفضة والذهب والنيكل والزنك) لتصنيع إمتس مع المعادن المعنية.
      تنبيه: إيلاء الاهتمام للسلامة الكيميائية.
    2. ربط الزجاج فتوريسيست المغطاة مقاومة للضوء إلى محطة سلبية للإعداد الكهربائي إليكترودبوسيتيون وتزجها في حل الطلاء كما القطب العمل.
    3. ربط شريط معدني النحاسإلى محطة إيجابية للإعداد الكهربائي الكهربائي ثنائي القطب كما القطب العداد.
    4. توريد ثابت 5-أماه الحالي (الكثافة الحالية: ~ 3 مللي أمبير / سم 2 ) باستخدام الجهد / مصادر الحالية والقياس أداة ( مثل سورسيميتر) لمدة 15 دقيقة لإيداع المعدن إلى سمك ما يقرب من 1.5 ميكرون.
    5. شطف تماما فوتوريسيست المغلفة فتو عينة الزجاج مع دي المياه وجففه مع الهواء المضغوط.
      تنبيه: التعامل مع الهواء المضغوط بعناية.
    6. وضع فوتوريسيست المغلفة فتو عينة الزجاج في الأسيتون لمدة 5 دقائق إلى حل فيلم مقاوم للضوء، مع شبكة المعدن على رأس الزجاج فتو.
  3. نقل بصمة الحرارية من شبكة معدنية إلى الركيزة مرنة.
    1. وضع شبكة معدنية غطت فتو عينة الزجاج على بلاتنس ساخنة كهربائيا من السدادة الحرارية ووضع 100 ميكرون سميكة مرنة دوري البوليمرات الأوليفين (كوك) فيلم على رأس العينة، التي تواجهالجانب شبكة معدنية.
    2. تسخين لوحات الصحافة ساخنة إلى 100 درجة مئوية.
    3. تطبيق 15 مبا من الضغط بصمة وعقد لمدة 5 دقائق.
      تنبيه: الانتباه إلى السلامة عند استخدام الصحافة ساخنة.
      ملاحظة: يمكن أن يتم نقل بصمة في ضغط أقل. قيمة الضغط (15 ميجا باسكال) ذكرت هنا مرتفعة نسبيا. تم استخدام هذا الضغط العالي لضمان أن شبكة معدنية جزءا لا يتجزأ تماما في فيلم كوك.
    4. تبريد بلاتنس ساخنة لدرجة حرارة ديمولدينغ من 40 درجة مئوية.
    5. الافراج عن ضغط بصمة.
    6. تقشر فيلم كوك من الزجاج فتو، مع شبكة معدنية جزءا لا يتجزأ تماما في فيلم كوك.

2. تصنيع ميكرون الفرعية إمتس

  1. تصنيع ميكرون شبه ميكرون باستخدام الطباعة الحجرية شعاع الالكترون (إبل).
    1. سبينكوات 100 ميكرولتر من محلول ميثيل ميثاكريلات (بمما) (15K ميغاواط، 4٪ بالوزن في أنيسول) على الزجاج فتو تنظيفها لمدة 60 سار 2500 دورة في الدقيقة (حوالي 140 x ج للعينات التي يبلغ قطرها 2 سم) لتحقيق 150 نانومتر سميكة، فيلم موحد.
    2. خبز الفيلم بمما على موقد لمدة 30 دقيقة في 170 درجة مئوية.
    3. بدوره على نظام إبل وتصميم نمط شبكة (400 نانومتر لينويدث، 5 ميكرون الملعب) باستخدام مولد نمط 29 .
    4. وضع العينة في المجهر الإلكتروني الماسح الضوئي متصلا مولد نمط وتنفيذ عملية الكتابة 29 .
    5. تطوير مقاومة لمدة 60 ثانية في محلول مختلط من كيتون الأيزوبروبيل الميثيل والأيزوبروبانول في نسبة 1: 3.
    6. شطف العينة مع الماء دي وتجفيفه مع الهواء المضغوط.
      تنبيه: التعامل مع الهواء المضغوط بعناية.
    7. وضع 100 مل من محلول الطلاء المائية النحاس في كوب متوسط ​​الحجم.
      ملاحظة: ينبغي استخدام حلول الطلاء المائية الأخرى ( مثل حلول الفضة والذهب والنيكل والزنك الطلاء) لتصنيع إمتس مع المعادن المعنية. </ لى>
    8. إرفاق الزجاج فتو المغلفة بمما إلى محطة سلبية للإعداد الكهربائي إليكترودبوسيتيون، تراجع في حل الطلاء كما القطب العمل، وربط شريط المعادن النحاس إلى محطة إيجابية لاستكمال الدائرة.
      ملاحظة: يجب استخدام قضبان المعادن الأخرى ( أي الفضة والذهب والنيكل والزنك) للالكهربائية المعدنية المعنية.
    9. تطبيق التيار المناسب، المقابلة مع كثافة الحالية حوالي 3 مللي أمبير / سم 2 ، إلى منطقة نمط شبكة لمدة 2 دقيقة لإيداع المعادن إلى سمك ما يقرب من 200 نانومتر (يجب أن يحدد سمك الفعلي من قبل سيم أو عفم).
    10. غسل بعناية العينة مع الماء دي ووضعه في الأسيتون لمدة 5 دقائق إلى حل فيلم بمما.
    11. وضع شبكة معدنية غطت فتو عينة الزجاج على بلاتنس ساخنة كهربائيا من السدادة الحرارية ووضع فيلم كوك (100 ميكرون سميكة) على رأس العينة.
    12. تسخين لوحات إلى 100 درجة مئوية، وتطبيق 15مبا بصمة الضغط، وعقد لمدة 5 دقائق.
    13. تبريد بلاتنس ساخنة لدرجة حرارة ديمولدينغ من 40 درجة مئوية والافراج عن الضغط بصمة.
    14. تقشر فيلم كوك من الزجاج فتو، جنبا إلى جنب مع شبكة معدنية ثيسوب ميكرون جزءا لا يتجزأ تماما في فيلم كوك.

3 - قياس أداء نظم الرصد والتقييم

  1. ورقة قياس المقاومة.
    1. انتشر معجون الفضة على طرفين متعاكسين من العينة مربع وانتظر حتى يجف.
    2. وضع بعناية تحقيقات الأربعة من جهاز قياس المقاومة على منصات الفضة، بعد تعليمات المعدات.
    3. التبديل إلى وضع قياس المقاومة من مصدر الطاقة / أداة القياس وتسجيل القيمة على الشاشة.
  2. قياس الإرسال البصري.
    1. تشغيل الإعداد قياس الأشعة فوق البنفسجية فيس ومعايرة مطياف ( أي ربط قراءات الطرافةها عينة القياسية للتحقق من دقة الصك).
    2. وضع عينة إمت على حامل عينة مطياف ومحاذاة الاتجاه البصري بشكل صحيح.
    3. ضبط مطياف لنفاذية 100٪.
      ملاحظة: يتم تطبيع جميع قيم النفاذية المعروضة هنا إلى النفاذية المطلقة من خلال الركيزة فيلم كوك العارية.
    4. قياس نفاذية العينة.
    5. حفظ القياس والخروج من الإعداد.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويبين الشكل 1 مخطط التخطيطي والتصنيع من عينات إمت. كما هو مبين في الشكل 1A ، يتكون إمت من شبكة معدنية جزءا لا يتجزأ تماما في فيلم البوليمر. الوجه العلوي للشبكة هو على نفس المستوى كما الركيزة، وعرض منصة على نحو سلس عموما لإنتاج الجهاز لاحق. يتم شرح تقنية تلفيقيا في الشكل 1B - ه . بعد سبينكواتينغ فيلم مقاوم للضوء على الركيزة الزجاج فتو، ويستخدم ضوئيه لخلق نمط شبكة في مقاومة للضوء من التعرض للأشعة فوق البنفسجية والتنمية ( الشكل 1B )، وكشف عن سطح موصل من الزجاج في الخندق. في الخطوة التالية، يزرع المعدن منها داخل الخنادق بواسطة إليكتروديبوسيتيون، الذي يملأ الخنادق لتشكيل شبكة معدنية العادية ( الشكل 1C الشكل 1D ). بعد ذلك، يتم وضع فيلم البوليمر على العينة وتسخينها إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة التحول الزجاجي. يتم دفع شبكة معدنية في فيلم البوليمر خففت من خلال تطبيق ضغط موحد ( الشكل 1E ). وأخيرا، من خلال تبريد المكدس إلى درجة حرارة الغرفة وتقشير قبالة فيلم البوليمر من الزجاج موصل، يتم نقل شبكة معدنية إلى فيلم من البلاستيك في شكل جزءا لا يتجزأ تماما ( الشكل 1F ). الإجراء تصنيع كامل هو القائم على حل ويتم تنفيذها في جو محيطي. وبالتالي، فإنه يمكن بسهولة أن تتكيف مع الإنتاج الضخم.

الشكل 2 يعرض المجهر القوة الذرية (عفم) والمجهر الإلكتروني المسح (سيم) إماجيس من التشكل من إمت في خطوات تلفيق مختلفة من عملية ليت. الشكل 2A يعرض صور الخندق في فيلم مقاومة للضوء التي أدلى بها ضوئيه. في هذه العينة المحددة، وعرض خندق مقاوم للضوء حوالي 4 ميكرون، في حين أن عمق ما يقرب من 2 ميكرون. ويبين الشكل 2B شبكة النحاس مطلي على الزجاج فتو. كما يتضح من النتائج، شبكة النحاس لديها سمك و لينويدث حوالي 1.8 و 4 ميكرون، على التوالي. الشكل 2C يعرض شبكة النحاس نقل على فيلم كوك 28 . تؤكد الصور عفم أن خشونة السطح من إمت إمت (1.8 ميكرون سمك) هو أقل من 50 نانومتر، مؤكدا التكوين جزءا لا يتجزأ من. طريقة ليت يمكن مواصلة دراستها من خلال تغيير الوقت الكهربي لجعل إمتس النحاس من سمك مختلفة. العلاقة بين سمك المعدن والوقت الكهربي هو بريزنتد في الشكل 2D . ومنحنى هو مبين في الشكل 2D يكشف أن سمك المعادن التغييرات غير الخطية مع زيادة في الوقت الكهربي. هذا هو بسبب غير مستطيلة المقطع العرضي للخندق مقاوم للضوء ( الشكل 2A )، الذي يحتوي على أسفل أضيق ولكن أعلى على نطاق واسع. وهكذا، خلال إليكتروديبوسيتيون (تيار مستمر)، معدل نمو سمك المعدن ينخفض ​​مع مرور الوقت. وبالتالي، فإن شبكة لديها عرض أكبر في الجزء العلوي، وهو مفيد لنقل بصمة لأنه يمكن ميكانيكيا الراسية في فيلم من البلاستيك.

يوضح الشكل 3 أ -ج التوصيف الهيكلي لتصنيع إمت النمط إبل في خطوات مختلفة من عملية ليت للتحقق من قابلية التدرج الأبعاد. ويبين الشكل 3A الصور عفم و سيم من ترينتشيس المحرز في فيلم بمما عبر إبل. عمق الخندق والعرض حوالي 150 و 400 نانومتر، على التوالي. ويبين الشكل 3B شبكة النحاس مطلي على الزجاج فتو، ويعرض الشكل 3C شبكة النحاس بصمة نقل على فيلم كوك. شبكة معدنية على الركيزة كوك هو في شكل جزءا لا يتجزأ تماما، وتقدم التصاق قوي والاستقرار مع الركيزة البلاستيكية.

ويبين الشكل 4A نفاذية إمتس النحاس من 600 نانومتر، 1 ميكرون، وسمك 2 ميكرون في نطاق الطول الموجي من 300-850 نانومتر. عندما زاد سمك شبكة معدنية من 600 نانومتر إلى 2 ميكرون، تم الكشف عن الحد الأدنى فقط من النفاذية، ويعزى هذا الانخفاض إلى الملف غير مستطيل من الخندق في مقاومة للضوء والمعدن الزائد. من ناحية أخرى، مقاومة ورقة إمتس يمكن أن تنخفض بشكل ملحوظ عندما سمك المعدنيتم زيادة، كما هو مبين في الشكل 4B . تم تسجيل مقاومة منخفضة جدا من الورق 0.07 Ω / سك للنحاس إمت مع سمك 2 ميكرون، مع نفاذية بصرية لا تزال أعلى من 70٪.

ويظهر الشكل 4 ب نسبة التوصيل الكهربائي إلى التوصيل البصري (σ دس / σ أوبت )، وهو مقياس شائع يستخدم لمقارنة أداء تيس. تم حساب قيم فم المبينة في الشكل 4b لمختلف إمتس المصنوعة في هذا العمل من خلال تطبيق التعبير المستخدمة عادة 4 ، 7 ، 17 ، 18 :
المعادلة 1
حيث R S هو مقاومة ورقة و T هو النفاذية البصرية في موجة 550 نانومترالطول. يعرض أقحم من الشكل 4B العلاقة بين فوم وسماكة المعدن. وتظهر المؤامرة المذكورة أن سمك المعدن له تأثير كبير على مقاومة الورقة وبالتالي على قيمة فوم من خلال تعزيز الموصلية لشبكة معدنية سمكا دون فقدان النفاذية إلى حد كبير.وقد حققت إمتس النموذج قيم فوم أعلى من 1.5 x 10 4 ، والتي هي من بين أفضل القيم المذكورة في الأدب.

ويبين الشكل 5A مقاومة ورقة والأشعة فوق البنفسجية فيس أطياف عالية شفافة إمت النحاس على فيلم كوك (5 × 5 سم 2 ) مع الملعب، لينويدث، وسمك 150، 4، و 1 ميكرون، على التوالي، مما يدل على قابلية الحجم الكلي للهيكل إمت لدينا و ليت تصنيع استراتيجية. بسبب الملعب كبيرة نسبيا، وتظهر العينة أعلى نفاذية بصرية (94٪) في حين م(0.93 Ω / سك). وبالمثل، يمكن تحقيق العديد من الترتيبات من مقاومة ورقة والنفاذية البصرية لأجهزة مختلفة عن طريق ضبط الخصائص الهندسية الرئيسية لل إمت.

ويبين الشكل 5 ب مقاومة ورقة والأطياف نفاذية البصرية من إمتس من مختلف المعادن، بما في ذلك الفضة والذهب والنيكل والزنك، لإثبات براعة اختيار المواد مع إمت لدينا. أطياف النفاذية هي مسطحة تقريبا و فونتليس على نطاق مرئي كله، وهو أمر مفيد لأجهزة العرض وتطبيقات الخلايا الشمسية. أما الزنك، والفضة، والنيكل المستندة إلى النيكل، فلها سمك معدني مماثل، لذلك فإن جميع العينات لها نفاذية مماثلة تقريبا (حوالي 78٪)، في حين أن مقاومة الصفائح هي 1.02 و 0.52 و 1.40 Ω / سك، على التوالي. بسبب سمك المعادن المختلفة، و إمتس الذهب والنحاس القائم (ما يقرب من 2 ميكرون و 600 نانومتر، على التوالي) لديها مقاومة ورقة من 0.20 و 0.70 Ω / سك ونفاذية 72٪ و 82٪، على التوالي. وأكد نجاح إنتاج هذه إمتس براعة المواد، وبالتالي تلبية متطلبات متنوعة للتوافق الكيميائي وظيفة العمل للموصل في مختلف الأجهزة.

ويبين الشكلان 6 أ و ب المرونة الفائقة ل إمتس من خلال ربط مقاومة الورقة مع دورات الانحناء للتحميل الضغط والشد عند شعاع 3 و 4 و 5 ملم. وتظهر النتائج المبينة في الشكل 6 أ أنه بالنسبة للانحناء الضغط مع 4 و 5 ملم شعاع، لا يوجد اختلاف واضح في مقاومة ورقة (0.07 Ω / سك) يحدث ل 1،000 الانحناءات. أيضا، فإن الاختلاف في مقاومة الورقة هو ضمن 100٪ من قيمته الأولية (من 0.07 Ω / سك إلى 0.13 Ω / سك) لنصف قطر الانحناء 3 مم. وبالمثل، للشد بوتظهر الاختلافات في مقاومة ورقة ضد دورات الانحناء في الشكل 6B ، مشيرا إلى أن 1000 دورة من 3، 4، و 5 ملم شعاع، ومقاومة ورقة تغيرت ما يقرب من 350٪، 150٪، و 30٪ على التوالي. الشكل 6 ج يوضح الاستقرار البيئي من إمتس النحاس بعد الغمر في المياه دي و إيبا والتعرض ل جو حار ورطب (60 درجة مئوية، 85٪ الرطوبة النسبية). ومن الواضح من النتائج أنه بعد 24 ساعة، لا تزال الهياكل المورفولوجية ومقاومة ورقة من إمتس لم تتأثر.

شكل 1
الشكل 1: المخططات التخطيطية لهيكل إمت وإجراءات التصنيع ليت. ( أ ) إمت مع شبكة معدنية جزءا لا يتجزأ من فيلم من البلاستيك الشفاف. ( ب ) أنماط الشبك المصنوعة في ريسيست طبقة الفيلم على الركيزة الزجاج موصل باستخدام الطباعة الحجرية. ( ج ) إلكترودبوسيتيون من المعدن داخل خنادق مقاومة لتصنيع شبكة معدنية موحدة. ( د ) حل مقاومة لتحقيق شبكة معدنية. ( ه ) التدفئة والضغط على شبكة معدنية في فيلم من البلاستيك. ( و ) فصل الفيلم البلاستيكي وشبكة معدنية في شكل مضمن تماما. وقد عدل هذا الرقم من المرجع 29 . الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2: تصنيع النموذج 50 ميكرومتر الملعب النحاس إمتس. ( أ - ج ) سيم (يسار، مع أقحم تظهر التكبير في الصورة) و عفم (يمين) من عينة إمت في مراحل مختلفة من ليت: ( أ ) نمط شبكة في مقاومة للضوء. ( ب ) شبكة النحاس على الزجاج فتو بعد حل مقاومة للضوء. ( ج ) شبكة النحاس جزءا لا يتجزأ تماما في الركيزة كوك. ( د ) العلاقة بين سمك المعدن ووقت الكهربي عند كثافة تيار كهربية ثابتة (3 مللي أمبير / سم 2 ). الحالات الناجحة والناجحة بعد نقل بصمة يرمز إلى الألوان الحمراء والأسود، على التوالي.وقد تم تعديل هذا الرقم من مرجع 29 . الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3
الشكل 3: سيم (يسار) و عفم (يمين) خصائص Pروتوتيب الفرعي ميكرومتر لينويدث إمت في مراحل مختلفة من ليت. ( أ ) أنماط نانوميش المصنوعة في فيلم بمما باستخدام إبل. ( ب ) نانوميش النحاس على الزجاج فتو بعد حل فيلم بمما. ( ج ) نانوميش النحاس جزءا لا يتجزأ تماما في الركيزة كوك. وقد عدل هذا الرقم من المرجع 29 . الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4
الشكل 4: توصيف الأداء للنموذج الأولي 50 ميكرومتر الملعب النحاس إمتس. ( أ ) الأطياف الضوئية للنماذج النمطية للنحاس. أقحم: صورة بصرية من النحاس المرن إمت. ( ب ) العلاقة بين النفاذية ومقاومة الصفائح للنحاس إمتس من مختلف سمك شبكة؛ يتم عرض القيم فم المقابلة في أقحم. وقد عدل هذا الرقم من المرجع 29 . الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5
الشكل 5: قابلية الأبعاد والتنوع المادي لل إمتس النحاس. ( أ ) المقاومة ورقة والأطياف الضوئية من النحاس عالية شفافة إمت مع الملعب من 150 ميكرون على الركيزة كوك كبير (5 × 5 سم 2 ). إنزيت: صورة بصرية لمنطقة إمت الكبيرة. ( ب ) مقاومة للصفائح والأطياف الضوئية ل 50 ميكرومتر الملعب إمتس مصنوعة من المعادن المختلفة. وقد عدل هذا الرقم من المرجع 29 .p_upload / 56019 / 56019fig5large.jpg "تارجيت =" _ بلانك "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 6
الشكل 6: الاستقرار الميكانيكي والبيئي للنحاس إمتس. ( أ ) منحنى التغييرات في مقاومة ورقة مع دورات الانحناء ضغط المتكررة. ( ب ) منحنى التغييرات في مقاومة ورقة مع تكرار الشد دورات الانحناء. ( ج ) التغييرات في مقاومة ورقة في الاختبارات البيئية والكيميائية.البدء: صور سيم بعد الاختبارات. وقد عدل هذا الرقم من المرجع 29 . الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

لدينا طريقة تلفيق يمكن تعديلها مرة أخرى للسماح للتدرج من أحجام ميزة والمناطق من العينة واستخدام مواد مختلفة. نجاح تلفيق ميكروميتر-لينويدث الفرعية ( الشكل 3A-3C ) إمتس النحاس باستخدام إبل يثبت أن هيكل إمت والخطوات الرئيسية في تصنيع ليت، بما في ذلك الكهربائي ونقل بصمة، ويمكن تقليص موثوق بها وصولا الى نطاق ميكرومتر الفرعي. وبالمثل، فإن عمليات الطباعة الحجرية مساحة كبيرة أخرى، مثل مرحلة التحول ضوئي 30 ، نانويمبرينت الطباعة الحجرية 31 ، وشحنت الجسيمات شعاع الطباعة الحجرية 32 ، ويمكن أيضا أن تستخدم لخلق أنماط عالية الدقة في فيلم مقاوم. ويستند عملية الكهربي المستخدمة في مظاهرة لدينا على الإعداد على نطاق المختبر. ومع ذلك، طريقة لدينا يمكن تعديلها بسهولة إلى نطاق صناعي، كبير-- الإنتاجية حمام الكهربائي للإنتاج. استخدمنانقل بصمة مال في المظاهرة، ولكن يمكن أيضا أن تطبق المواد الأخرى التي يمكن علاجه بواسطة الأشعة فوق البنفسجية أو وسائل أخرى لعملية النقل.

عند تنفيذ طريقة لدينا، قد تحدث بعض المشاكل. سمك شبكة معدنية، فضلا عن ملفها الهندسي، حاسمة لتصنيع ليت متسقة من إمتس. المنحنى هو مبين في الشكل 2 د يكشف أن التحويلات كانت ناجحة فقط لشبكات أكثر سمكا ( أي سمك أكبر من 500 نانومتر). السبب في عمليات النقل غير الناجحة هو أن قوة محاصرة التطبيق من فيلم كوك على السطح العلوي والجدار من شبكات معدنية أرق ببساطة لا يمكن أن تتصدى لقوة التصاق بين المعدن والزجاج فتو.

هناك قيود على أسلوبنا الحالي. على الرغم من أن ليت هو نهج فعالة من حيث التكلفة لاستبدال ترسب المعادن القائمة على فراغ مع عملية الطلاء الكهربائي لتصنيع إمتس، ويضم ليثوغرا إلزاميةفي الخطوة عند اتخاذ كل عينة. وهذا يحد من مدى ملاءمتها للإنتاج الصناعي العالي الإنتاج والكبيرة الحجم. وسيركز عملنا في المستقبل على معالجة هذه المسألة الهامة.

مع أداء أفضل بتكلفة أقل واستراتيجية تصنيع عالية الإنتاجية، لدينا إمت لديها مجموعة واسعة من التطبيقات في الأجهزة الضوئية المرنة، مثل الخلايا الشمسية العضوية 33 ، العضوي الباعثة للضوء الثنائيات 34 ، العضوية الترانزستورات الرقيقة 35 ، ومرنة لوحة اللمس شفافة 10 ، الخ . وعلاوة على ذلك، يمكن استخدام شبكة في الجلد الاصطناعي عن طريق نقله إلى ركائز قابلة للتمدد. حاليا، نحن التحقيق في مدى ملاءمتها في الأجهزة الإلكترونية لمط. والواقع أن أدائها واعد في مثل هذه التطبيقات.

وباختصار، نقدم إمتس الرواية التي مشبكة معدنية ويرتكز ميكانيكيا في فيلم البوليمر. Comparإد إلى أقطاب شبكة معدنية القائمة، والميزة الرئيسية لهذا الهيكل إمت هو أنه يستخدم شبكة معدنية سميكة للتوصيل الكهربائي العالي، دون أن تفقد التسطيح السطح. يتم تصنيعها إمتس لإنجاز نسبة الكهربائية إلى البصرية تصرف أكثر من 10 4 ، وهو من بين أعلى من تيس 29 ذكرت في الأدب. وعلاوة على ذلك، فإن الهيكل جزءا لا يتجزأ من يعزز الاستقرار الكيميائي لل إمتس في جو المحيط والاستقرار الميكانيكي تحت الانحناء الإجهاد.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgments

وقد حظي هذا العمل بدعم جزئي من صندوق البحوث العامة التابع لمجلس منح البحوث التابع لمنطقة هونغ كونغ الإدارية الخاصة (الجائزة رقم 17246116)، وبرنامج الباحثين الشباب التابع للمؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (61306123)، وبرنامج البحوث الأساسية - البرنامج العام من لجنة العلوم والتكنولوجيا والابتكار لبلدية شنتشن (JCYJ20140903112959959)، وبرنامج البحث والتطوير الرئيسية من إدارة مقاطعة تشجيانغ للعلوم والتكنولوجيا (2017C01058). ويود المؤلفون أن يشكروا Y.-T. هوانغ و سب فنغ لمساعدتهم مع القياسات البصرية.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

الهندسة، العدد 124، شبكة معدنية مدمجة، قطب شفاف مرن، حل معالج، طباعة حجرية، إلكترودبوسيتيون، نقل بصمة حرارية
قابلة للتطوير حل معالجتها استراتيجية تصنيع عالية الأداء، مرنة، أقطاب شفافة مع شبكة معدنية جزءا لا يتجزأ
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Khan, A., Lee, S., Jang, T., Xiong,… More

Khan, A., Lee, S., Jang, T., Xiong, Z., Zhang, C., Tang, J., Guo, L. J., Li, W. D. Scalable Solution-processed Fabrication Strategy for High-performance, Flexible, Transparent Electrodes with Embedded Metal Mesh. J. Vis. Exp. (124), e56019, doi:10.3791/56019 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter