Waiting
Login processing...

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

Engineering

מדרגית פתרון פתרון עיבוד מעובד עבור ביצועים גבוהים, גמיש, אלקטרודות שקוף עם רשת Embedded מתכת

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

פרוטוקול זה מתאר אסטרטגיה ייצור מבוסס מבוסס עבור ביצועים גבוהים, גמישה, אלקטרודות שקוף עם מלא- Embedded, רשת מתכת עבה. אלקטרודות שקופות גמישות מפוברקות על-ידי תהליך זה מדגימות בין הביצועים הגבוהים ביותר, כולל עמידות נמוכה במיוחד של גליונות, שינוע אופטי גבוה, יציבות מכנית תחת כיפוף, הידבקות חזקה של המצע, חלקות פני השטח ויציבות סביבתית.

Abstract

כאן, המחברים לדווח על מוטבע רשת מתכת שקוף אלקטרודה (EMTE), אלקטרודה שקוף חדש (TE) עם רשת מתכת מוטבע לחלוטין בסרט פולימרי. מאמר זה מציג גם עלות נמוכה, ואקום ללא ייצור שיטה זו TE חדש; הגישה משלבת עיבוד ליתוגרפיה, electroplating, ואת העברת טביעת (LEIT) עיבוד. הטבעה המשולבת של EMTEs מציעה יתרונות רבים, כגון חלקות פני השטח גבוהה, אשר חיוני לייצור מכשיר אלקטרונית אורגנית; יציבות מכנית מעולה במהלך כיפוף; עמידות חיובית לכימיקלים ולחות; הידבקות חזקה עם סרט פלסטיק. LEIT ייצור תכונות תהליך electroplating לתצהיר ואקום ללא מתכת הוא נוח לייצור תעשייתי הייצור. יתר על כן, LEIT מאפשרת ייצור של רשת מתכת עם יחס גובה גבוה ( כלומר, עובי linewidth), שיפור משמעותי מוליכות החשמלית שלה מבלי לאבד לרעה אופטי trחמור. אנו מדגימים מספר אבות טיפוס של EMTEs גמישים, עם התנגדות של גיליון נמוך מ 1 Ω / sq ו transmittances גדול מ 90%, וכתוצאה מכך נתונים גבוהים מאוד של הכשרון (FoM) - עד 1.5 x 10 4 - שהם בין הערכים הטובים ביותר שפורסם בספרות.

Introduction

ברחבי העולם, מחקרים נערכים כדי לחפש תחליפים עבור תחמוצות מוליכות שקופות קשיחות (TCO), כגון תחמוצת בדיל אינדיום פלואוריד מסוממים פח תחמוצת (FTO) Fims, כדי לפברק גמיש / stretchable TE כדי לשמש בעתיד גמיש / מכשירים אופטיים אופטיים. זה מחייב חומרים חדשים עם שיטות ייצור חדש.

ננו, כגון גראפן 2 , מוליכים פולימרים 3 , 4 , צינורות פחמן 5 , רשתות אקראיות מתכת nanowire 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , נחקרו הוכיחו את היכולות שלהם TEs גמישים, מענה החסרונות של קיימים TECO מבוססי TCO, כולל שבירות Fi 12 , נמוך transmittance אינפרא אדום 13 , ושפע נמוך 14 . גם עם פוטנציאל זה, זה עדיין מאתגר להשיג מוליכות חשמלית גבוהה אופטי ללא הידרדרות תחת כיפוף מתמשך.

במסגרת זו, מתכת מתכת רגילה 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 מתפתחים כמועמד מבטיח יש להשיג שקיפות אופטית גבוהה להפליא עמידות גיליון נמוך, אשר ניתן להתאמה לפי דרישה. עם זאת, השימוש הנרחב של רשת מתכת מבוסס TEs כבר הפריע בשל אתגרים רבים. ראשית, ייצור לעתים קרובות כרוך בתצהיר יקר, ואקום מבוסס של מתכות 16 , 17 , 18 , 21 . שנית, עובי יכול בקלות לגרום חשמלי קצר חשמלי 22 , 23 , 24 , 25 ב סרט דק מכשירים אופטיים אורגניים. שלישית, הידבקות חלשה עם פני השטח המצע תוצאות הגמישות המסכן 26 , 27 . המגבלות הנ"ל יצרו ביקוש מבני מתכת חדשים מבוססי רשת TE וגישות ניתנות להרחבה עבור ייצור שלהם.

במחקר זה, אנו מדווחים על מבנה הרומן של TEs גמישים המכיל רשת מתכת מוטבע לחלוטין בסרט פולימרי. כמו כן אנו מתארים גישה חדשנית, מבוססת פתרונות, בעלות נמוכה, המשלבת ליתוגרפיה, אלקטרודות, והעברת טביעות אצבע. ערכי FM גבוה ככל 15k הושגו על EMTEs המדגם. בשל אופי מוטבע שלEMTE, כימי מדהים, מכני, יציבות סביבתית נצפו. יתר על כן, טכניקת ייצור עיבוד מעובד הוקמה בעבודה זו יכול לשמש עבור עלות נמוכה תפוקה גבוהה הייצור של EMTEs המוצעים. טכניקת ייצור זו ניתנת להרחבה על פני רשת מתכת עדינה יותר, אזורים גדולים יותר, ומגוון מתכות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

זהירות: שים לב בטיחות אלקטרונים קרן. יש ללבוש את משקפי המגן והבגדים הנכונים. כמו כן, לטפל היטב את כל ממיסים דליקים ופתרונות בזהירות.

1. Photolithography מבוסס ייצור של EMTE

  1. Photolithography עבור בודה דפוס רשת.
    1. נקי FTO מצעים זכוכית (3 ס"מ x 3 ס"מ) עם חומר ניקוי נוזלי באמצעות צמר גפן. שוטפים אותם היטב עם מים deionized (DI) באמצעות צמר גפן נקי. נקה אותם באמצעות אולטרה-סוניקציה (תדר = 40 קילו-הרץ, טמפרטורה = 25 מעלות צלזיוס) באלכוהול איזופרופיל (IPA) למשך 30 שניות לפני ייבוש האוויר הדחוס.
      זהירות: ידית אוויר דחוס בזהירות.
    2. Spincoat 100 μL של photoresist על זכוכית FTO ניקה עבור 60 s ב 4,000 סל"ד (כ 350 xg עבור דגימות עם רדיוס 2 ס"מ) כדי לקבל 1.8 מיקרומטר עבה, סרט אחיד.
    3. אופים את הסרט photoresist על hotplate עבור 50 s ב100 ° C.
    4. לחשוף את הסרט photoresist דרך photomask עם דפוס רשת (3 מיקרומטר linewidth, 50 מיקרומטר המגרש) באמצעות aligner מסכה UV עבור מינון של 20 mJ / cm 2 .
    5. לפתח את photoresist ידי immersing המדגם בפתרון מפתח עבור 50 s.
    6. יש לשטוף את המדגם במים DI ויבש אותו עם אוויר דחוס.
      זהירות: ידית אוויר דחוס בזהירות.
  2. אלקטרודות של מתכות.
    1. יוצקים 100 מ"ל של תמיסת ציפוי נחושת מימית בעוצמה 250 מ"ל.
      הערה: אחרים פתרונות ציפוי מימית ( למשל, כסף, זהב, ניקל, ואבץ) ניתן להשתמש עבור ייצור של EMTEs עם מתכות בהתאמה.
      זהירות: שים לב לבטיחות כימית.
    2. חבר את הזכוכית FTO מכוסה photoresist אל המסוף השלילי של שתי אלקטרודות ההתקנה electrodeposition ו לטבול אותו פתרון ציפוי כמו האלקטרודה עובד.
    3. חבר את מוט מתכת הנחושתאל המסוף החיובי של שתי אלקטרודה electrodeposition ההתקנה כמו האלקטרודה נגד.
    4. אספקת קבוע 5-mA הנוכחי (צפיפות הנוכחית: ~ 3 mA / cm 2 ) באמצעות מתח / זרם המקור מכשיר המדידה ( למשל Sourcemeter) במשך 15 דקות להפקיד את המתכת לעובי של כ 1.5 מיקרומטר.
    5. בזהירות לשטוף את photoresist מצופה FTO זכוכית מדגם עם מים DI ויבש אותו עם אוויר דחוס.
      זהירות: ידית אוויר דחוס בזהירות.
    6. מניחים את photoresist מצופה FTO זכוכית מדגם אצטון במשך 5 דקות לפזר את הסרט photoresist, עם רשת מתכת חשופה על גבי זכוכית FTO.
  3. העברה חותם תרמי של רשת המתכת למצע גמיש.
    1. מניחים את רשת מתכת מכוסה FTO מדגם זכוכית על platens מחומם לחשמל של impeter תרמי ולשים 100 מיקרומטר עבה גמישה קופולימר olefin מחזורית (COC) הסרט על גבי המדגם, פונההצד של רשת המתכת.
    2. מחממים את הצלחות של העיתונות המחוממת עד 100 ° C.
    3. החל 15 MPa של לחץ חותם להחזיק אותו 5 דקות.
      זהירות: שים לב לבטיחות בעת שימוש בעיתונות המחוממת.
      הערה: ניתן להעביר את הטבעת בלחץ נמוך יותר; את ערך הלחץ (15 מגפ"ס) דיווחו כאן הוא גבוה יחסית. לחץ גבוה זה שימש כדי להבטיח כי רשת מתכת היה מוטבע במלואו בסרט COC.
    4. מגניב את מחומם platens לטמפרטורת demolding של 40 מעלות צלזיוס.
    5. שחרר את לחץ החותם.
    6. לקלף את הסרט COC מן הזכוכית FTO, עם רשת מתכת מוטבע לחלוטין בסרט COC.

2. ייצור של תת מיקרו EMTEs

  1. ייצור של EMTEs משנה מיקרון באמצעות ליתוגרפיה קרן אלקטרונים (EBL).
    1. Spincoat 100 μL של methacrylate פוליאתיל (PMMA) פתרון (15k MW, 4% wt. ב anisole) על זכוכית FTO נקי עבור 60 saT 2,500 סל"ד (כ 140 xg עבור דגימות עם רדיוס 2 ס"מ) כדי להשיג סרט ננומטר עבה 150 ננומטר.
    2. אופים את הסרט PMMA על hotplate במשך 30 דקות ב 170 מעלות צלזיוס.
    3. הפעל את מערכת EBL ועיצוב תבנית רשת (400 ננומטר linewidth, 5 מיקרומטר זפת) באמצעות מחולל דפוס 29 .
    4. מניחים את המדגם מיקרוסקופ אלקטרונים סורק מחובר מחולל דפוס ולבצע את תהליך הכתיבה 29 .
    5. לפתח את ההתנגדות עבור 60 s בתמיסה מעורבת של קטון איזופרופיל מתיל ו isopropanol ביחס 1: 3.
    6. יש לשטוף את המדגם עם מים DI ו להתייבש עם אוויר דחוס.
      זהירות: ידית אוויר דחוס בזהירות.
    7. מקום 100 מ"ל של תמיסת נחושת מימית נחושת בגודל בינוני.
      הערה: פתרונות ציפוי אחרים מימיים ( למשל, כסף, זהב, ניקל, ציפוי אבץ פתרונות) יש להשתמש עבור ייצור של EMTEs עם מתכות בהתאמה. </ Li>
    8. צרף את FMA זכוכית מצופה FTO אל הטרמינל השלילי של ההתקנה electrodeposition שתי אלקטרודה, לטבול אותו פתרון ציפוי כמו האלקטרודה עובד, ולחבר את מוט מתכת נחושת אל מסוף חיובי כדי להשלים את המעגל.
      הערה: ברים מתכות אחרות ( כלומר, כסף, זהב, ניקל ואבץ) יש להשתמש עבור electrodepositions מתכת בהתאמה.
    9. החל הנוכחי מתאים, המתאים עם צפיפות הנוכחית של כ 3 mA / ס"מ 2 , לאזור דפוס רשת עבור 2 דקות להפקיד מתכת לעובי של כ 200 ננומטר (עובי בפועל חייב להיקבע על ידי SEM או AFM).
    10. בזהירות לשטוף את המדגם עם מים DI ולמקם אותו אצטון במשך 5 דקות כדי להמיס את הסרט PMMA.
    11. שים את רשת מתכת מכוסה FTO מדגם זכוכית על platens מחומם לחשמל של impeter תרמי במקום סרט COC (100 מיקרומטר עבה) על גבי המדגם.
    12. מחממים את הצלחות עד 100 ° C, להחיל 15MPa לחותם הלחץ, והחזק אותו במשך 5 דקות.
    13. מגניב את platens מחוממת לטמפרטורת demolding של 40 מעלות צלזיוס ולשחרר את הלחץ החותם.
    14. לקלף את הסרט COC מ FTO זכוכית, יחד עם רשת מתכת mesron thesub מוטבע לחלוטין בסרט COC.

3. ביצועי המדידה של EMTEs

  1. גיליון התנגדות התנגדות.
    1. מורחים הדבק כסף על שני קצוות מנוגדים של המדגם הריבועי ומחכים עד שהוא מתייבש.
    2. בזהירות במקום את ארבע בדיקות של התקן המדידה התנגדות על כריות כסף, בעקבות ההוראות ציוד.
    3. עבור למצב מדידת ההתנגדות של מקור הספק / מכשיר המדידה ורשום את הערך בתצוגה.
  2. מדידת שידור אופטי.
    1. הפעל את הגדרת המדידה UV-Vis לכייל את ספקטרומטר ( כלומר, לקשר את שנינות הקריאהחה מדגם רגיל כדי לבדוק את הדיוק של המכשיר).
    2. מניחים את המדגם EMTE על מדגם מדגם ספקטרומטר כראוי ליישר את הכיוון האופטי.
    3. התאם את ספקטרומטר עבור 100% transmittance.
      הערה: כל ערכי transmittance המוצגים כאן מנורמל כדי transmittance מוחלט באמצעות המצע הסרט חשוף COC.
    4. למדוד את transmittance של המדגם.
    5. שמור את המדידה ואת היציאה של ההתקנה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 1 מציג את תרשים זרימה סכימטי ופשוט של דגימות EMTE. כפי שמוצג באיור 1 א , EMTE מורכב רשת מתכת מוטבע לחלוטין בסרט פולימרי. החלק העליון של הרשת הוא באותה רמה כמו המצע, הצגת פלטפורמה חלקה בדרך כלל לייצור המכשיר הבא. טכניקת ייצור הוא הסביר באופן סכמטי באיור 1b - e . לאחר spincoating סרט photoresist על מצע FTO זכוכית, photolithography משמש ליצירת תבנית רשת ב photoresist ידי חשיפה UV ופיתוח ( איור 1b ), חושף את המשטח המוליך של הזכוכית בתעלה. בשלב הבא, מתכת בהתאמה הוא גדל בתוך התעלות על ידי electrodeposition, אשר ממלא את התעלות כדי ליצור רשת מתכת רגילה ( איור 1 ג איור 1 ד ). לאחר מכן, סרט פולימרי ממוקם על המדגם מחומם לטמפרטורה גבוהה יותר מאשר טמפרטורת המעבר זכוכית. רשת מתכת נדחפת לתוך הסרט פולימר מרוכך באמצעות היישום של לחץ אחיד ( איור 1e ). לבסוף, על ידי קירור הערימה לטמפרטורת החדר לקלף את הסרט פולימר מן זכוכית מוליך, רשת המתכת מועבר הסרט פלסטיק בצורה מוטבע לחלוטין ( איור 1F ). כל הליך ייצור הוא מבוסס פתרון מיושם באווירה הסביבה; ולכן, זה יכול בקלות להיות מותאמים לייצור המוני.

איור 2 מציג מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) ו מיקרוסקופ אלקטרונים סריקה (SEM) imaGes של המורפולוגיה של EMTE בשלבי ייצור שונים של תהליך LEIT. איור 2 א מציג את התמונות תעלה בסרט photoresist שנעשו על ידי photolithography. במדגם ספציפי זה, רוחב התעלה photoresist הוא כ 4 מיקרומטר, בעוד העומק הוא כמעט 2 מיקרומטר. איור 2b מראה את רשת הנחושת electroplated על זכוכית FTO. כפי שניתן לראות מן התוצאות, רשת הנחושת יש עובי ו linewidth של כ 1.8 ו 4 מיקרומטר, בהתאמה. איור 2 ג מציג את רשת נחושת הועבר על סרט COC 28 . התמונות AFM לאשר כי החספוס פני השטח של EMTE מושלם (1.8 מיקרומטר עובי) הוא נמוך מ 50 ננומטר, המאשר את תצורה מוטבע שלה. השיטה LEIT ניתן למד עוד על ידי שינוי זמן electrodeposition לעשות EMTEs נחושת של עובי שונה. המתאם של עובי המתכת ואת זמן electrodosition הוא preseNted ב איור 2 ד . עקומת שמוצג באיור 2d מגלה כי עובי המתכת שינויים לא לינארית עם עלייה זמן electrodeposition. הסיבה לכך היא חתך מלבני לא מלבני של תעלת photoresist ( איור 2 א ), שבו יש תחתית צרה אבל רחב יותר. לכן, במהלך electrodeposition (זרם קבוע), קצב הצמיחה של עובי המתכת פוחתת עם הזמן. לפיכך, הרשת יש רוחב גדול יותר בחלק העליון, וזה יתרון עבור העברת טביעות אצבע מאז זה יכול להיות מעוגן מכנית בסרט הפלסטיק.

איור 3a -c מדגים את אפיון מבני של EMTE בדוגמת EMTE ייצור בשלבים שונים של תהליך LEIT כדי לאמת את מדרגיות ממדי שלה. איור 3a מציג את התמונות AFM ו- SEM של trenChes עשה בסרט PMMA באמצעות EBL. עומק התעלה ורוחב הם סביב 150 ו 400 ננומטר, בהתאמה. איור 3b מראה את רשת הנחושת electroplated על FTO זכוכית, איור 3 ג מציג את חותם העביר רשת נחושת על סרט COC. רשת המתכת על מצע COC הוא בצורה מוטבע לחלוטין, מציע הידבקות חזקה ויציבות עם המצע פלסטיק.

איור 4a מראה את transmittance של EMTEs נחושת של 600 ננומטר, 1 מיקרומטר, ו 2 עובי מיקרומטר בטווח גל של ננומטר 300-850. כאשר עובי רשת המתכת עלה מ 600 ננומטר עד 2 מיקרומטר, רק ירידה מינימלית של transmittance זוהה, ואת הירידה הזאת מיוחסת לפרופיל הלא קבוע של התעלה ב photoresist ואת המתכת overplating. מצד שני, ההתנגדות גיליון של EMTEs ניתן להפחית באופן משמעותי כאשר עובי המתכתהוא גדל, כפי שמוצג בתרשים 4 ב . ההתנגדות של גיליון נמוך במיוחד של 0.07 Ω / מ"ר נרשמה עבור EMTE הנחושת עם עובי 2 מיקרומטר, עם transmittance אופטי עדיין גבוה מ 70%.

איור 4 ב מציג את היחס של מוליכות חשמלית מוליכות אופטית (σ dc / σ opt ), FM נפוץ להשוות את הביצועים של TEs. ערכי ה- FoM המוצגים באיור 4b חושבו עבור EMTE שונים שנעשו בעבודה זו על-ידי החלת הביטוי הנפוץ הבא 4 , 7 , 17 , 18 :
משוואה 1
כאשר R s הוא ההתנגדות גיליון ו- T הוא transmittance אופטי גל 550 ננומטראורך. הבלעה של איור 4 ב מציג את הקשר בין FoM לבין עובי המתכת. העלילה נתון מראה כי עובי המתכת יש השפעה משמעותית על ההתנגדות גיליון ולכן על הערך של FoM על ידי שיפור מוליכות של רשת מתכת עבה מבלי לאבד באופן משמעותי transmittance. אב טיפוס EMTEs השיגו ערכים FoM גבוה מ 1.5 x 10 4 , שהם בין הערכים הטובים ביותר שדווחו בספרות.

איור 5a מדגים את ההתנגדות גיליון UV-Vis ספקטרום של EMTE גבוה שקוף נחושת על הסרט COC (5 x 5 ס"מ 2 ) עם המגרש, linewidth, ואת עובי של 150, 4, ו 1 מיקרומטר, בהתאמה, מציג את יכולת ההרחבה של את הגודל הכולל של המבנה EMTE שלנו ואת אסטרטגיית ייצור LEIT. בשל המגרש גדול יחסית, המדגם מציג transmittance אופטי גבוהה יותר (94%) בעוד mAintaining התנגדות נמוכה גיליון (0.93 Ω / מ"ר). באופן דומה, ניתן להשיג מספר רב של הסדרי התנגדות של גליונות ושידור אופטי עבור מכשירים שונים על ידי התאמת המאפיינים הגיאומטריים העיקריים של EMTE.

איור 5 ב מציג את ההתנגדות גיליון ספקטרום אופטי transmittance של EMTEs של מתכות שונות, כולל כסף, זהב, ניקל, ואבץ, כדי להדגים את הרבגוניות של בחירה חומרית עם EMTE שלנו. ספקטרום transmittance הם כמעט שטוח תכונה על כל טווח גלוי, אשר מועיל עבור התקני תצוגה ויישומים תא השמש. ל- EMTE יש אבץ של מתכות, ולכן לכל הדגימות יש בערך טרנזיטציות דומות (כמעט 78%), ואילו ההתנגדות לגיליון היא 1.02, 0.52 ו -1.45 Ω / מ"ר בהתאמה. בשל עובי מתכת שונים, EMTEs זהב ונחושת מבוסס (כמעט 2 מיקרומטר ו 600 ננומטר, בהתאמה) יש התנגדות סדינים של 0.20 ו 0.70 Ω / sq ו transmittances של 72% ו 82%, בהתאמה. הייצור המוצלח של EMTEs אלה אישרו את הרב-תכליתיות החומרית, ולכן סיפקו דרישות מגוונות לתאימות הכימית ולפונקציית העבודה של המנצח במכשירים שונים.

איור 6a ו- b להציג את גמישות מעולה של EMTE שלנו על ידי התאמת ההתנגדות גיליון עם מחזורי כיפוף עבור טוען דחיסה מתיחה ברדי של 3, 4, ו -5 מ"מ. התוצאות המוצגות בתרשים 6a מראות כי, עבור כיפוף דחיסה עם רדיוס 4 ו 5 מ"מ, אין וריאציה ברורה ההתנגדות גיליון (0.07 Ω / מ"ר) מתרחשת עבור 1,000 bendings. כמו כן, וריאציה ההתנגדות גיליון הוא בתוך 100% של הערך הראשוני שלה (מ 0.07 Ω / מ"ר ל 0.13 Ω / מ"ר) עבור רדיוס כיפוף 3 מ"מ. באופן דומה, עבור מתיחה בהסוף, וריאציות ההתנגדות גיליון נגד מחזורי כיפוף מוצגים בתרשים 6b , המציין כי עבור 1,000 מחזורים של רדיוס 3, 4, 5 מ"מ, ההתנגדות גיליון השתנו כמעט 350%, 150%, ו -30%, בהתאמה. איור 6 ג ממחיש את היציבות הסביבתית של EMTEs הנחושת לאחר טבילה במים DI ו- IPA וחשיפה לאווירה חמה ולח (60 מעלות צלזיוס, 85% לחות יחסית). זה ברור מן התוצאות כי לאחר 24 שעות, מבנים מורפולוגיים ההתנגדות גיליון של EMTEs להישאר מושפעים.

איור 1
איור 1: דיאגרמות סכמטיות של מבנה EMTE והליך ייצור LEIT. ( א ) EMTE עם רשת מתכת מוטבע בסרט פלסטיק שקוף. ( ב ) דפוסי רשת שנעשו resiSt הסרט שכבת על מצע זכוכית מוליך באמצעות ליתוגרפיה. ( ג ) אלקטרודות של מתכת בתוך התעלות של ההתנגדות כדי לפברק רשת מתכת אחידה. ( ד ) ממיסת להתנגד להשיג רשת מתכת חשופה. ( ה ) חימום ולחיצה על רשת המתכת לתוך סרט פלסטיק. ( ו ) הפרדת הסרט הפלסטיק ומתכת המתכת בצורה משובצת לחלוטין. נתון זה שונה מהתייחסות 29 . אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2: ייצור של אב טיפוס 50 מיקרומטר נחושת EMTEs נחושת. ( א - ג ) SEM (משמאל, עם הבלעה מראה את התמונה zoomed) ו AFM (מימין) אפיונים של EMTE מדגם בשלבים שונים של LEIT: ( א ) דפוס רשת photoresist. ( ב ) נחושת רשת על זכוכית FTO לאחר המסת photoresist. ( ג ) רשת נחושת לגמרי מוטבע מצע COC. ( ד ) הקשר בין עובי המתכת לבין זמן electrodeposition ב צפיפות הנוכחית electrodeposition הנוכחי (3 mA / ס"מ 2 ). במקרים מוצלחים ומצליחים בעקבות העברת הטבעה מסומנים בצבעים אדום ושחור, בהתאמה. נתון זה השתנה מתוך התייחסות 29 . אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3: SEM (משמאל) ו- AFM (מימין) אפיונים של Pרובוטיקה תת מיקרומטר-linewidth EMTE על שלבים שונים של LEIT. ( א ) דפוסי Nanomesh שנעשו בסרט PMMA באמצעות EBL. ( ב ) נחושת נחושת על זכוכית FTO לאחר המסת הסרט PMMA. ( ג ) נחושת נחושת לגמרי מוטבע מצע COC. נתון זה שונה מהתייחסות 29 . אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
איור 4: אפיון ביצועים של אב טיפוס 50 מיקרומטר-נחושת EMTEs נחושת. ( א ) ספקטרום אופטי של EMTEs נחושת טיפוסי. Inset: תמונה אופטי של EMTE נחושת גמישה. ( ב ) הקשר בין טרמינציה והתנגדות גיליון עבור EMTEs נחושת של עובי רשת שונים; ערכי ה- FoM המתאימים מוצגים בקטע. נתון זה שונה מהתייחסות 29 . אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5
איור 5: מדרגיות מימדית וגמישות החומר של EMTEs נחושת. ( א ) התנגדות גיליון וספקטרום אופטי של EMTE שקוף גבוה שקוף עם גובה של 150 מיקרומטר על מצע COC גדול (5 x 5 ס"מ 2 ). Inset: תמונה אופטי של EMTE אזור גדול. ( ב ) ההתנגדויות גיליון ספקטרום אופטי של 50 מיקרומטר המגרש EMTEs עשויים מתכות שונות. נתון זה שונה מהתייחסות 29 ."לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו." Target = "_ blank"> לחץ כאן כדי לראות גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6: יציבות מכנית וסביבתית של EMTEs נחושת. ( א ) עקומת השינויים בהתנגדות גיליון עם חוזי כיפוף דחיסה חוזרת. ( ב ) עקומה של שינויים ההתנגדות גיליון עם חוזי מתיחה חוזרת ונשנית. ( ג ) שינויים ההתנגדות גיליון בדיקות סביבתיות וכימיות.מבוא: תמונות SEM לאחר הבדיקות. נתון זה שונה מהתייחסות 29 . אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

שיטת ייצור שלנו יכול להיות שונה עוד יותר כדי לאפשר מדרגיות של גודל התכונה ואזורים של המדגם ועל השימוש בחומרים שונים. המצאה המוצלחת של תת מיקרומטר-לינוויד ( איור 3a-3c ) EMTEs נחושת באמצעות EBL מוכיח כי המבנה EMTE וצעדים מרכזיים ב ייצור LEIT, כולל electroplating והעברת הטבעה, ניתן scaled באופן מהימן אל תת טווח מיקרומטר. כמו כן, תהליכים גדולים אחרים בתחום הליטוגרפיה, כגון photolithography של פאזה-היסטורית 30 , ליתוגרפיה nanoimprint 31 , וטעינת ליתוגרפיה של קרן חלקיקים 32 , יכולים לשמש גם ליצירת תבניות ברזולוציה גבוהה בסרט ההתנגדות. תהליך electrodeposition בשימוש בהפגנה שלנו מבוסס על הגדרת המעבדה בקנה מידה. עם זאת, השיטה שלנו ניתן לשנות בקלות כדי בקנה מידה תעשייתי, תפוקה גדולה אמבטיה electroplating לייצור. השתמשנוהעברת חותם מלטי בהפגנה, אבל חומרים אחרים שניתן לרפא על ידי סגול או אמצעים אחרים יכולים להיות מיושמים גם על תהליך ההעברה.

בעת ביצוע השיטה שלנו, כמה בעיות עשויות להתרחש. עובי רשת המתכת, כמו גם פרופיל גיאומטרי שלה, הם קריטיים עבור ייצור LEIT עקבית של EMTEs. עקומה שמוצג באיור 2d מגלה כי העברות היו מוצלחים רק עבור רשתות עבות יותר ( כלומר, עובי גדול מ 500 ננומטר). הסיבה להעברות לא מוצלחות היא כי כוח השמנה להחיל של הסרט COC על פני השטח העליון ואת הדופן של רשתות מתכת דקים פשוט לא יכולתי להתמודד עם כוח הדבקה בין המתכת לבין זכוכית FTO.

יש מגבלות על השיטה הנוכחית שלנו. למרות LEIT היא גישה חסכונית להחליף בתצהיר ואקום מבוסס מתכת עם תהליך electroplating עבור ייצור של EMTEs, היא כוללת ליתוגרה חובהPhy צעד בעת ביצוע כל מדגם. זה מגביל את התאמתו תפוקה גבוהה נפח הייצור התעשייתי גדול. עבודתנו העתידית תתמקד בהתייחסות לנושא חשוב זה.

עם ביצועים טובים יותר בעלות נמוכה יותר ואת התפוקה גבוהה התפוקה אסטרטגיה, EMTE שלנו יש מגוון רחב של יישומים במכשירים אופטיים גמישים, כגון תאים סולאריים אורגניים 33 , דיודות פולטות אור אורגני 34 , טרנזיסטורים סרט דק אורגני 35 , גמישה לוחות מגע שקוף 10 , וכו ' . יתר על כן, רשת ניתן להשתמש בעור מלאכותי על ידי העברת אותו מצעים stretchable. כרגע, אנחנו חוקרים את ההתאמה שלה במכשירים אלקטרוניים stretchable. ואכן, הביצועים שלה הוא מבטיח ביישומים כאלה.

לסיכום, אנו מציגים EMTEs הרומן שבו רשת מתכת מעוגנת מכנית בסרט פולימרי. Comparאד אלקטרודות רשת מתכת קיים, היתרון העיקרי של המבנה EMTE זה הוא משתמש ברשת מתכת עבה עבור מוליכות חשמלית גבוהה יותר, מבלי לאבד את השטח שטוחות. EMTEs הם מפוברקים כדי להשיג יחס של מוליכות אופטית של יותר מ 10 10, שהוא בין הגבוהים של צוותי 29 דיווחו בספרות. יתר על כן, מבנה מוטבע משפר את היציבות הכימית של EMTEs באווירה הסביבה ואת היציבות מכני תחת מתח כיפוף.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי קרן המחקר הכללית של מועצת מענקי המחקר של אזור ההנהלה המיוחד של הונג קונג (פרס מס '17246116), תכנית המלומדים הצעירים של הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (61306123), תכנית המחקר הבסיסית - תוכנית כללית מן המדע והטכנולוגיה חדשנות הנציבות של עיריית שנזן (JCYJ20140903112959959), ואת מפתח מחקר ופיתוח תוכנית ממחלקת Zhejiang של מחלקה למדע וטכנולוגיה (2017C01058). המחברים מבקשים להודות ל- Y.T. הואנג ו SP פנג על העזרה שלהם עם מדידות אופטיות.

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

הנדסה גיליון 124 רשת מתכת משובצת אלקטרודה שקופה גמישה פתרון מעובד ליתוגרפיה אלקטרודות,
מדרגית פתרון פתרון עיבוד מעובד עבור ביצועים גבוהים, גמיש, אלקטרודות שקוף עם רשת Embedded מתכת
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