Summary
Dit protocol beschrijft een op oplossings gebaseerde fabricage-strategie voor high-performance, flexibele, transparante elektroden met volledig ingebed, dik metaalnetwerk. Flexibele transparante elektroden vervaardigd door dit proces tonen onder de hoogste gerapporteerde prestaties, waaronder ultra-lage velweerstand, hoge optische transmissie, mechanische stabiliteit onder buigen, sterke substraathechting, oppervlak gladheid en milieubestabiliteit.
Abstract
Hierin rapporteren de auteurs de embedded transparant elektrode (EMTE), een nieuwe transparante elektrode (TE) met een metalen gaas, volledig ingebed in een polymeer film. Dit papier presenteert ook een goedkope, vacuümvrije fabricage methode voor deze nieuwe TE; De aanpak combineert lithografie, elektroplating en imprintoverdracht (LEIT) verwerking. De embedded aard van de EMTEs biedt vele voordelen, zoals de hoge oppervlak gladheid, die essentieel is voor de productie van biologische elektronische apparaten; Superieure mechanische stabiliteit tijdens het buigen; Gunstige weerstand tegen chemicaliën en vocht; En sterke hechting met plastic film. LEIT fabricage beschikt over een elektropletteringsproces voor vacuümvrije metaalafzetting en is gunstig voor industriële massaproductie. Bovendien zorgt LEIT voor het vervaardigen van metalen gaas met een hoge aspectverhouding ( dwz de dikte tot de lijnbreedte), waardoor de elektrische geleidbaarheid aanzienlijk wordt versterkt zonder dat optische transmittance. We tonen verschillende prototypes van flexibele EMTE's, met bladweerstanden lager dan 1 Ω / m² en transmittances groter dan 90%, wat resulteert in zeer hoge cijfers van verdiensten (FoM) - tot 1,5 x 10 4 - die behoren tot de beste waarden in de Gepubliceerde literatuur.
Introduction
Wereldwijd worden studies uitgevoerd om te kijken naar vervangingen voor stijve transparante geleidende oxides (TCO's), zoals indiumtinoxide en fluor-gedoteerde tinoxide (FTO) fi lms, om flexibele / rekbare TE's te maken die in toekomstige flexibele / Rekbare opto-elektronische apparaten 1 . Dit vereist nieuwe materialen met nieuwe fabricagemethoden.
Nanomaterialen, zoals grafeen 2 , geleidende polymeren 3 , 4 , carbon nanobuizen 5 en willekeurige metalen nanowire netwerken 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , zijn onderzocht en hebben hun capaciteiten aangetoond in flexibele TE's, die de tekortkomingen van Bestaande TCO-gebaseerde TE's, Inclusief fi lm fragility 12 , low infrared transmittance 13 en low abundance 14 . Zelfs met dit potentieel is het nog steeds uitdagend om een hoge elektrische en optische geleidbaarheid te bereiken zonder te verslechteren bij continu buigen.
In dit kader worden regelmatige metalen mazen 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 ontwikkeld als een veelbelovende kandidaat en hebben opmerkelijk hoge optische transparantie en lage lakweerstand bereikt, die op aanvraag kan worden afgestemd. Het uitgebreide gebruik van metalen mesh-gebaseerde TE's is echter belemmerd vanwege vele uitdagingen. Ten eerste houdt fabricage vaak de dure, vacuümgebaseerde afzetting van metalen 16 , 17 , 18 , 21 . Ten tweede kan de dikte gemakkelijk elektrische kortsluiting 22 , 23 , 24 , 25 veroorzaken in dunne film organische opto-elektronische apparaten. Ten derde leidt de zwakke hechting met het substraatoppervlak tot slechte flexibiliteit 26 , 27 . De bovengenoemde beperkingen hebben de vraag gesteld naar nieuwe metalen gaas-gebaseerde TE-structuren en schaalbare benaderingen voor hun fabricage.
In deze studie rapporteren we een nieuwe structuur van flexibele TE's die een metalen gaas bevatten die volledig in een polymeer film is ingebed. We beschrijven ook een innovatieve, op oplossings gebaseerde en goedkope fabricage-aanpak die lithografie, elektrodepositie en afdrukoverdracht combineert. FoM waarden zo hoog als 15k zijn behaald op monsters EMTEs. Vanwege de embedded aard vanEMTE's, opmerkelijke chemische, mechanische en milieubestabiliteit werden waargenomen. Bovendien kan de in dit werk opgestelde oplossing verwerkt fabricage techniek mogelijk worden gebruikt voor de lage en hoge productie van de voorgestelde EMTE's. Deze fabricage techniek is schaalbaar naar fijnere metalen maaslijnbreedtes, grotere gebieden en een reeks metalen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
VOORZICHTIG: Let op de elektronenbalkveiligheid. Draag de juiste beschermende bril en kleding. Hanteer ook alle brandbare oplosmiddelen en oplossingen zorgvuldig.
1. Photolithography-based Fabrication of the EMTE
- Fotolithografie voor het fabriceren van het gaaspatroon.
- Reinig de FTO-glazen substraten (3 cm x 3 cm) met vloeibaar wasmiddel met behulp van katoenen pootstok. Spoel ze grondig met gedeïoniseerd (DI) water met een schone katoenen pootje. Verdere schoonmaken door gebruik te maken van ultra sonication (frequentie = 40 kHz, temperatuur = 25 ° C) in isopropylalcohol (IPA) gedurende 30 s voordat u ze met perslucht droogt.
VOORZICHTIG: Druk de perslucht zorgvuldig om. - Spincoat 100 μL van de fotoresist op het gereinigde FTO glas gedurende 60 s bij 4.000 rpm (ongeveer 350 xg voor monsters met een straal van 2 cm) om een 1,8 μm dikke, uniforme film te krijgen.
- Bak de fotoresistfilm op een kookplaat voor 50 s op100 ° C.
- Stel de fotoresistfilm uit door middel van een fotomasker met een gaaspatroon (3 μm lijnbreedte, 50 μm toonhoogte) met een UV-masker-uitlijning voor een dosis van 20 mJ / cm 2 .
- Ontwikkel de fotoresist door het monster gedurende 50 s in de ontwikkelaaroplossing te dompelen.
- Spoel het monster in DI water en droog het met perslucht.
VOORZICHTIG: Druk de perslucht zorgvuldig om.
- Reinig de FTO-glazen substraten (3 cm x 3 cm) met vloeibaar wasmiddel met behulp van katoenen pootstok. Spoel ze grondig met gedeïoniseerd (DI) water met een schone katoenen pootje. Verdere schoonmaken door gebruik te maken van ultra sonication (frequentie = 40 kHz, temperatuur = 25 ° C) in isopropylalcohol (IPA) gedurende 30 s voordat u ze met perslucht droogt.
- Elektrodepositie van metalen.
- Giet 100 ml koper waterige plating oplossing in een 250 ml beker.
OPMERKING: Andere waterige plating oplossingen ( bijv. Zilver, goud, nikkel en zink) kunnen worden gebruikt voor de fabricage van EMTE's met de respectieve metalen.
VOORZICHTIG: Let op de chemische veiligheid. - Sluit het fotoresistbedekte FTO-glas aan op de negatieve aansluiting van de elektrodeopstelling van twee elektroden en dompel het in de bekledingsoplossing als de werkelektrode.
- Sluit de koper metalen staaf aanNaar de positieve aansluiting van de elektrodeopstelling van twee elektroden als de tellerelektrode.
- Zorg voor een constante 5-mA stroom (stroomdichtheid: ~ 3 mA / cm 2 ) met behulp van een spannings / stroom sourcing en meetinstrument ( bijv. Sourcemeter) gedurende 15 minuten om het metaal te dichten tot een dikte van ongeveer 1,5 μm.
- Spoel de fotoresist-gecoate FTO-glasmonster grondig met DI water en droog het met perslucht.
VOORZICHTIG: Druk de perslucht zorgvuldig om. - Plaats het fotoresist-gecoate FTO-glasmonster in aceton gedurende 5 minuten om de fotoresistfilm op te lossen, met het blote metaalnetje bovenop het FTO-glas.
- Giet 100 ml koper waterige plating oplossing in een 250 ml beker.
- Warmteafdrukoverdracht van het metalen gaas naar het flexibele substraat.
- Plaats het metalen gaasbedekte FTO-glasmonster op de elektrisch verwarmde platen van de thermische imprinter en plaats een 100 μm dikke flexibele cyclische olefine copolymeer (COC) film bovenop het monsterDe metalen gaaszijde.
- Verhit de platen van de verwarmde pers tot 100 ° C.
- Breng 15 MPa drukdruk aan en houd deze 5 minuten vast.
VOORZICHTIG: Let op de veiligheid bij gebruik van de verwarmde pers.
OPMERKING: de afdrukoverdracht kan met een lagere druk worden uitgevoerd; De hier genoemde drukwaarde (15 MPa) is relatief hoog. Deze hoge druk werd gebruikt om ervoor te zorgen dat het metalen gaas volledig in de COC film werd ingebed. - Koel de verwarmde platen tot de ontdooitemperatuur van 40 ° C.
- Laat de afdrukdruk vrij.
- Verwijder de COC-film van het FTO-glas, met het metalen gaas volledig ingebed in de COC-film.
2. Fabricage van sub-micron EMTEs
- Fabricage van sub-micron EMTE's met behulp van elektronenstraal lithografie (EBL).
- Spincoat 100 μL polymethylmethacrylaat (PMMA) oplossing (15k MW, 4 gew.% In anisol) op het gereinigde FTO glas voor 60 saT 2.500 rpm (ongeveer 140 xg voor monsters met een straal van 2 cm) om een 150 nm dikke, uniforme film te verkrijgen.
- Bak de PMMA film op een kookplaat gedurende 30 minuten bij 170 ° C.
- Schakel het EBL-systeem in en ontwerp het maaspatroon (400 nm lijnbreedte, 5 μm toonhoogte) met behulp van een patroongenerator 29 .
- Plaats het monster in een scan-elektronmicroscoop die is aangesloten op de patroongenerator en voer het schrijfproces 29 uit .
- Ontwikkel de weerstand gedurende 60 s in een gemengde oplossing van methylisopropylketon en isopropanol bij een verhouding van 1: 3.
- Spoel het monster af met DI water en droog het met perslucht.
VOORZICHTIG: Druk de perslucht zorgvuldig om. - Plaats 100 ml van de koper waterige plating oplossing in een middelgrote beker.
OPMERKING: Andere waterige plateringsoplossingen ( bijv. Zilver-, goud-, nikkel- en zinkplateringsoplossingen) dienen te worden gebruikt voor de fabricage van EMTE's met respectievelijke metalen. </ Li> - Bevestig het PMMA-beklede FTO-glas aan de negatieve aansluiting van de elektrodeopstelling van twee elektroden, doe het in de plateroplossing als de werkelektrode, koppel de koper metalen staaf aan op de positieve aansluiting om het circuit te voltooien.
OPMERKING: Andere metalen staven ( dwz zilver, goud, nikkel en zink) dienen te worden gebruikt voor de respectievelijke metaal-elektrodeposities. - Breng een geschikte stroom aan, die overeenkomt met een stroomdichtheid van ongeveer 3 mA / cm2, gedurende 2 minuten aan het maaspatroongebied om metaal te dichten tot een dikte van ongeveer 200 nm (de werkelijke dikte moet bepaald worden door SEM of AFM).
- Was het monster voorzichtig met DI water en plaats het gedurende 5 minuten in aceton om de PMMA film op te lossen.
- Leg het metalen gaasbedekte FTO-glasmonster op de elektrisch verwarmde platen van de thermische imprinter en plaats een COC-film (100 μm dik) bovenop het monster.
- Verhit de platen tot 100 ° C, apply a 15MPa druk opdruk, en houd het gedurende 5 minuten.
- Koel de verwarmde platen aan de ontdooitemperatuur van 40 ° C en laat de afdrukdruk vrij.
- Verwijder de COC-film van het FTO-glas, samen met een thesub-micron metaalnetje dat volledig in de COC-film is ingebed.
3. Prestatiemeting van de EMTE's
- Meting van het velweerstand.
- Spreid zilverpasta op twee tegengestelde randen van het vierkante monster en wacht tot het droogt.
- Plaats de vier sondes van het weerstandsmetingapparaat voorzichtig op de zilveren kussens, volgens de instructies van de apparatuur.
- Overschakelen naar de weerstandsmetingmodus van het voedingsbron / meetinstrument en registreer de waarde op het display.
- Optische transmissiemeting.
- Zet de UV-Vis meetinstelling aan en kalibreren de spectrometer ( dwz correleren de metingen witHa standaard monster om de nauwkeurigheid van het instrument te controleren).
- Plaats het EMTE-monster op de spectrometer monsterhouder en stel de optische richting goed uit.
- Pas de spectrometer aan voor 100% transmittantie.
OPMERKING: Alle transmittiewaarden die hier worden gepresenteerd worden genormaliseerd tot de absolute transmissie door het kale COC film substraat. - Meet de transmissie van het monster.
- Bewaar de meting en uitloggen van de setup.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figuur 1 toont het schematische en fabricage flowchart van de EMTE monsters. Zoals gepresenteerd in Figuur 1a bestaat het EMTE uit een metaalnetje dat volledig in een polymeerfilm is ingebed. Het bovenvlak van het gaas is op hetzelfde niveau als het substraat, waarbij een over het algemeen glad oppervlak voor de volgende apparaatproductie wordt weergegeven. De fabricage techniek wordt schematisch uitgelegd in figuur 1b - e . Na fotolijsten van een fotoresistische film op een FTO-glazen substraat wordt fotolithografie gebruikt om het gaaspatroon in fotoresist te creëren door UV-blootstelling en ontwikkeling ( Figuur 1b ), waarbij het geleidende oppervlak van het glas in de sloot wordt onthuld. In de volgende stap wordt het respectievelijke metaal in de loopgraven gekweekt door elektrodepositie, die de loopgraven vult om een regelmatig metaalnet te vormen ( Figuur 1c figuur 1d ). Vervolgens wordt een polymeerfilm op het monster gepositioneerd en verwarmd tot een temperatuur hoger dan zijn glasovergangstemperatuur. Metalen gaas wordt geduwd in de verzachtde polymeerfilm door toepassing van een uniforme druk ( Figuur 1e ). Ten slotte, door de stapel afkoelen naar kamertemperatuur en afschilferen van de polymeerfilm uit het geleidende glas, wordt het metalen gaas overgebracht naar de kunststoffolie in volledig ingebedde vorm ( figuur 1f ). De gehele fabricageprocedure is op oplossing gebaseerd en wordt uitgevoerd in een omgevingstemperatuur; Daarom kan het gemakkelijk worden aangepast voor massaproductie.
Figuur 2 presenteert atoomkrachtmicroscopie (AFM) en aftastelektronmicroscopie (SEM) imaGescheiden van de morfologie van het EMTE bij verschillende fabricage stappen van het LEIT proces. Figuur 2a presenteert de loopgraafbeelden in de fotoresistfilm gemaakt door fotolithografie. In dit specifieke monster is de breedte van de fotoresistgraaf ongeveer 4 μm, terwijl de diepte bijna 2 μm is. Figuur 2b toont het geëxplodeerde kopernet op FTO-glas. Zoals blijkt uit de resultaten heeft het kopernet een dikte en een lijnbreedte van respectievelijk 1,8 en 4 μm. Figuur 2c toont het overgedragen kopernet op een COC film 28 . De AFM-afbeeldingen bevestigen dat de oppervlakteruwheid van het voltooide EMTE (1,8 μm dikte) lager is dan 50 nm, waarbij de ingebedde configuratie wordt bevestigd. De LEIT-methode kan verder worden bestudeerd door de elektrodepositietijd te veranderen om koper EMTE's van verschillende diktes te maken. De correlatie van metalen dikte en elektrodepositie tijd is preseNted in figuur 2d . De in figuur 2d getoonde kromme laat zien dat de dikte van metaal niet-lineair verandert met een toename van de elektrodepositietijd. Dit komt door de niet-rechthoekige doorsnede van de fotoresistgraaf ( figuur 2a ), die een kleinere bodem maar een breder top heeft. Aldus, tijdens elektrodepositie (constante stroom) neemt de groeitempo van metaaldikte af met de tijd. Vandaar dat het maas een grotere breedte heeft op het hogere deel, wat voor de overdrukoverdracht gunstig is, aangezien het mechanisch verankerd kan zijn in de kunststoffolie.
Figuur 3a- c toont de structurele karakterisering van EBL-patroon EMTE-productie in verschillende stappen van het LEIT-proces om zijn dimensionale schaalbaarheid te valideren. Figuur 3a toont de AFM- en SEM-afbeeldingen van de trenChes gemaakt in PMMA film via EBL. De gronddiepte en de breedte zijn respectievelijk ongeveer 150 en 400 nm. Figuur 3b toont het kopernet dat op FTO-glas is gealpleteerd, en Figuur 3c presenteert het afdrukovergedragen kopernet op een COC-film. Het metalen gaas op het COC-substraat is in volledig ingebouwde vorm, waardoor sterk hechting en stabiliteit met het kunststof substraat is.
Figuur 4a toont de transmissie van koper EMTE's van 600 nm, 1 μm en 2 μm diktes in het golflengtebereik van 300-850 nm. Toen de metaaldikte dikte steeg van 600 nm tot 2 μm, werd slechts een minimale reductie in transmittantie gedetecteerd en deze daling wordt toegeschreven aan het niet-rechthoekige profiel van de sloot in de fotoresist en de metalen overbelasting. Aan de andere kant kan de velweerstand van EMTE's aanzienlijk worden verminderd wanneer de metaaldikteWordt verhoogd, zoals getoond in figuur 4b . Voor de koper EMTE is een uitzonderlijk lage velweerstand van 0,07 Ω / m² opgenomen met een dikte van 2 μm, waarbij de optische transmissie nog steeds hoger is dan 70%.
Figuur 4b toont de verhouding van elektrische geleiding naar optische geleidbaarheid (σ dc / σ opt ), een FoM die gewoonlijk gebruikt wordt om de prestatie van TE's te vergelijken. De in figuur 4b getoonde FoM-waarden werden berekend voor verschillende EMTE's die in dit werk werden gemaakt door de volgende algemeen gebruikte uitdrukking 4 , 7 , 17 , 18 toe te passen : 
Waar R s de velweerstand is en T de optische transmissie bij een 550 nm-golf islengte. De inzet van figuur 4b toont de relatie tussen de FoM en de metaaldikte. De gegeven grafiek toont aan dat de dikte van het metaal een significante invloed heeft op de velweerstand en derhalve op de waarde van het FoM door de geleidbaarheid van een dikker metaalnet te verbeteren zonder de transmittantie aanzienlijk te verliezen. Het prototype EMTEs bereikte FoM-waarden hoger dan 1,5 x 10 4 , die behoren tot de beste waarden die in de literatuur worden gerapporteerd.
Figuur 5a toont de velweerstand en UV-Vis-spectra van een hoog transparant koper EMTE op COC-film (5 x 5 cm 2 ) met een toonhoogte, lijnbreedte en dikte van respectievelijk 150, 4 en 1 μm, waarbij de schaalbaarheid van De totale omvang van onze EMTE structuur en LEIT fabricage strategie. Vanwege de relatief grote toonhoogte, toont het monster hogere optische transmissie (94%) terwijl mHet verkrijgen van een lagere velweerstand (0.93 Ω / m²). Op soortgelijke wijze kunnen talrijke arrangementen van velweerstand en optische transmissie worden bereikt voor verschillende inrichtingen door de sleutel geometrische eigenschappen van de EMTE aan te passen.
Figuur 5b toont de velweerstand en optische transmittatiespectra van EMTE's van verschillende metalen, waaronder zilver, goud, nikkel en zink, om de veelzijdigheid van materiaalkeuze bij onze EMTE te demonstreren. De transmittatiespectra zijn bijna vlak en onberispelijk over het hele zichtbare bereik, wat voordelig is voor weergaveapparatuur en zonneceltoepassingen. Zink-, zilver- en nikkel-gebaseerde EMTE's hebben vergelijkbare metalen diktes, dus alle monsters hebben ongeveer gelijkwaardige transmissies (bijna 78%), terwijl de velweerstanden respectievelijk 1,02, 0,52 en 1,40 Ω / m² zijn. Door de verschillende metalen diktes, de goud- en koper-gebaseerde EMTE's (bijna 2 μm en 600 nm) hebben velweerstanden van respectievelijk 0,20 en 0,70 Ω / m² en transmittances van respectievelijk 72% en 82%. De succesvolle productie van deze EMTE's bevestigde de materiële veelzijdigheid en voldoet derhalve aan diverse eisen voor de chemische compatibiliteit en werkfunctie van de dirigent in diverse apparaten.
Figuur 6a en b presenteren de superieure flexibiliteit van onze EMTE's door de velweerstand te correren met de buigcycli voor compressieve en trekbelastingen bij radiussen van 3, 4 en 5 mm. De resultaten in Figuur 6a laten zien dat voor compressieve buiging met 4 en 5 mm radii geen duidelijke variatie in velweerstand (0,07 Ω / sq) optreedt voor 1000 buigingen. Ook is de variatie in velweerstand binnen 100% van de initiële waarde (van 0,07 Ω / sq. Tot 0,13 Ω / sq.) Voor de 3 mm buigstraal. Evenzo, voor trek bEindigend worden variaties in de weerstand tegen de buigcycli getoond in figuur 6b , wat aangeeft dat voor 1,000 cycli van 3, 4 en 5 mm radii de weerstanden van het vel met respectievelijk respectievelijk 350%, 150% en 30% zijn veranderd. Figuur 6c illustreert de milieustabiliteit van de koper EMTE's na onderdompeling in DI water en IPA en blootstelling aan een hete en vochtige atmosfeer (60 ° C, 85% relatieve luchtvochtigheid). Uit de resultaten blijkt dat na 24 uur de morfologische structuren en de velweerstanden van de EMTE's niet onaangetast blijven.
Figuur 1: Schematische diagrammen van de EMTE Structuur en LEIT Fabrication Procedure. (A) Een EMTE met een metalen gaas, ingebed in een transparante plastic film. ( B ) Meshpatronen gemaakt in een resiSt film gelaagd op een geleidend glas substraat met lithografie. ( C ) Elektrodepositie van metaal in de loopgraven van de weerstand om een uniform metaalnetwerk te vervaardigen. ( D ) Oplossen van de weerstand om kaal metaalnet te bereiken. ( E ) Verwarming en persen van het metalen gaas in een plastic folie. ( F ) Afscheiding van de kunststoffolie en het metalen gaas in een volledig ingebedde vorm. Dit cijfer is gewijzigd van referentie 29 . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Fabricage van prototype 50 μm-koper EMTE's. (A - c ) SEM (links, met de invoer die het ingezoomde beeld toont) en AFM (Rechts) karakteristieken van een monster EMTE in verschillende stadia van LEIT: ( a ) Mesh patroon in de fotoresist. ( B ) Kopernet op het FTO-glas na het oplossen van de fotoresist. ( C ) Kopernetwerk volledig ingebed in een COC-substraat. ( D ) Relatie tussen metaaldikte en elektrodepositietijd bij een constante elektrodepositie stroomdichtheid (3 mA / cm 2 ). Niet-succesvolle en succesvolle zaken na de afdrukoverdracht worden aangeduid met respectievelijk rood en zwart. Dit cijfer is gewijzigd van referentie 29 . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: SEM (links) en AFM (rechts) Karakterisaties van een PRototype Sub-micrometer-linewidth EMTE in verschillende stappen van LEIT. (A) Nanomesh patronen gemaakt in een PMMA film met behulp van EBL. ( B ) Koper nanomesh op het FTO glas na het oplossen van de PMMA film. ( C ) Koper nanomesh volledig ingebed in een COC substraat. Dit cijfer is gewijzigd van referentie 29 . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Prestatie Karakterisering van de Prototype 50 μm-pitch Koper EMTEs. (A) Optische spectra van de typische koperen EMTE's. Inset: optisch beeld van het flexibele koper EMTE. ( B ) Relatie tussen transmissie- en velweerstand voor koper-EMTE's Van verschillende maasdiktes; De bijbehorende FoM-waarden worden in de invoer weergegeven. Dit cijfer is gewijzigd van referentie 29 . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Dimensional Scalability en Materiaal Veelzijdigheid van de Koper EMTEs. (A) Platenbestendigheid en optische spectra van een hoge transparante koper EMTE met een toonhoogte van 150 μm op een groot COC-substraat (5 x 5 cm 2 ). Inset: optisch beeld van de grote omgeving EMTE. ( B ) Bladweerstanden en optische spectra van 50 μm-pitch EMTE's gemaakt van verschillende metalen. Dit cijfer is gewijzigd van referentie 29 .P_upload / 56019 / 56019fig5large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te zien.
Figuur 6: Mechanische en milieustabiliteit van de Koper EMTEs. (A) Curve van veranderingen in velweerstand met herhaalde compressieve buigcycli. ( B ) Curve van veranderingen in velweerstand met herhaalde trekbuigcycli. ( C ) Wijzigingen in velweerstand in de milieutechnische en chemische tests. Inzet: SEM foto's na de tests. Dit cijfer is gewijzigd van referentie 29 . Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Onze fabricagemethode kan verder worden aangepast om schaalbaarheid van de eigenschappen en gebieden van het monster en voor het gebruik van verschillende materialen mogelijk te maken. De succesvolle fabricage van sub-micrometer-linewidth ( Figuur 3a-3c ) koper EMTE's met behulp van EBL bewijst dat de EMTE-structuur en de belangrijkste stappen in LEIT fabricage, met inbegrip van elektroplating en afdrukoverdracht, betrouwbaar kunnen worden verlaagd naar een sub-micrometer bereik. Op soortgelijke wijze kunnen andere lithografische processen met groot gebied, zoals fase-shiftfotolithografie 30 , nanoimprint lithografie 31 en geladen-deeltjesbundel lithografie 32 , ook worden gebruikt om hoge resolutie patronen in de weerstandsfilm te maken. Het elektrodepositieproces dat in onze demonstratie wordt gebruikt, is gebaseerd op een laboratoriumschaalopstelling. Echter, onze werkwijze kan gemakkelijk worden aangepast aan een industriële schaal, grote doorvoer elektroplating bad voor productie. We hebben daar gebruiktMal afdrukoverdracht in de demonstratie, maar ook andere materialen die door ultraviolet of andere middelen kunnen worden genezen kunnen ook worden toegepast op het overdrachtsproces.
Bij het uitvoeren van onze methode kunnen sommige problemen optreden. De metaaldikte, evenals het geometrische profiel, zijn cruciaal voor de consistente LEIT fabricage van EMTE's. De in figuur 2d getoonde kromme laat zien dat de overdrachten alleen succesvol waren voor dikkere mazen ( dwz een dikte groter dan 500 nm). De reden voor de mislukte overdrachten is dat de toegepaste opvangkracht van de COC-film op het bovenste oppervlak en de zijwand van dunnere metalen mazen de weerstandskracht tussen het metaal en het FTO-glas niet kon tegenwerken.
Er zijn beperkingen op onze huidige methode. Hoewel LEIT een kosteneffectieve aanpak is voor het vervangen van vacuümgebaseerde metaalafzetting met een elektroplatingproces voor de fabricage van EMTE's, omvat het een verplichte lithograafPhy stap bij het maken van elk monster. Dit beperkt zijn geschiktheid voor high-throughput en grote industriële productie. Ons toekomstige werk zal zich richten op het aanpakken van dit belangrijke probleem.
Met een betere prestatie tegen lagere kosten en de high-throughput fabricage-strategie heeft onze EMTE een breed scala aan toepassingen in flexibele opto-elektronische apparaten, zoals organische zonnecellen 33 , organische lichtgevende diodes 34 , organische dunne film transistors 35 , flexibele Transparante touchpanelen 10 , enz . Bovendien kan het gaas in kunstmatige huid worden gebruikt door het over te dragen naar rekbare ondergronden. Momenteel onderzoeken we zijn geschiktheid in rekbare elektronische apparaten. Inderdaad, zijn prestaties beloven in dergelijke toepassingen.
Samenvattend presenteren we nieuwe EMTE's waarin metaalnetwerk mechanisch verankerd is in een polymeerfilm. ComparUitgegeven aan bestaande metalen gaaselektroden, is het belangrijkste voordeel van deze EMTE-structuur dat het een dikke metalen gaas gebruikt voor hogere elektrische geleiding, zonder dat de vlakke van het oppervlak wordt verloren. De EMTE's zijn vervaardigd om een verhouding van elektrisch tot optisch geleidingsvermogen van meer dan 10 4 te bereiken , die onder de hoogste van de TE's 29 staat vermeld in de literatuur. Bovendien verbetert de embedded structuur de chemische stabiliteit van de EMTE's in een omgevingsfeer en de mechanische stabiliteit onder buigspanning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door het General Research Fund van de Research Grants Council of the Special Administrative Region Hong Kong (Award No. 17246116), het Young Scholar Program van de National Natural Science Foundation of China (61306123), het Basic Research Program- Algemeen Programma van de Wetenschap en Technologie Innovatie Commissie van Shenzhen Gemeente (JCYJ20140903112959959), en het Key Research and Development Programma van de provinciale afdeling van Science and Technology van Zhejiang (2017C01058). De auteurs willen Y.-T graag bedanken. Huang en SP Feng voor hun hulp bij de optische metingen.
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 |
References
- 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).
- Bonaccorso, F., Sun, Z., Hasan, T., Ferrari, A. C. Graphene photonics and optoelectronics. Nat Photonics. 4 (9), 611-622 (2010).
- Kirchmeyer, S., Reuter, K. Scientific importance, properties and growing applications of poly(3,4-ethylenedioxythiophene). J Mater Chem. 15 (21), 2077-2088 (2005).
- 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).
- Zhang, M., et al. Strong, Transparent, Multifunctional, Carbon Nanotube Sheets. Science. 309 (5738), 1215-1219 (2005).
- 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).
- van de Groep, J., Spinelli, P., Polman, A. Transparent Conducting Silver Nanowire Networks. Nano Lett. 12 (6), 3138-3144 (2012).
- Hong, S., et al. Highly Stretchable and Transparent Metal Nanowire Heater for Wearable Electronics Applications. Adv Mater. 27 (32), 4744-4751 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kumar, A., Zhou, C. The Race To Replace Tin-Doped Indium Oxide: Which Material Will Win? ACS Nano. 4 (1), 11-14 (2010).
- 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).
- Wu, H., et al. A Transparent Electrode Based on a Metal Nanotrough Network. Nat Nanotechnol. 8 (6), 421-425 (2013).
- Han, B., et al. Uniform Self-Forming Metallic Network as a High-Performance Transparent Conductive Electrode. Adv Mater. 26 (6), 873-877 (2014).
- Kim, H. -J., et al. High-Durable AgNi Nanomesh Film for a Transparent Conducting Electrode. Small. 10 (18), 3767-3774 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Ahn, B. Y., et al. Omnidirectional Printing of Flexible, Stretchable, and Spanning Silver Microelectrodes. Science. 323 (5921), 1590-1593 (2009).
- 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).
- 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).
- Ellmer, K. Past achievements and future challenges in the development of optically transparent electrodes. Nat Photonics. 6 (12), 809-817 (2012).
- Choi, H. -J., et al. Uniformly embedded silver nanomesh as highly bendable transparent conducting electrode. Nanotechnol. 26 (5), 055305 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Manfrinato, V. R., et al. Resolution Limits of Electron-Beam Lithography toward the Atomic Scale. Nano Lett. 13 (4), 1555-1558 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
