Summary
Questo protocollo descrive una strategia di fabbricazione basata sulla soluzione per elettrodi ad alte prestazioni, flessibili e trasparenti con maglie di metallo completamente incorporate. Gli elettrodi trasparenti flessibili fabbricati da questo processo dimostrano tra le più elevate prestazioni riportate, tra cui la resistenza alla lastra ultra-bassa, l'elevata trasmittanza ottica, la stabilità meccanica in curva, una forte adesione del substrato, la morbidezza della superficie e la stabilità ambientale.
Abstract
Qui gli autori riportano l'elettrodo trasparente (EMTE) metallico incorporato, un nuovo elettrodo trasparente (TE) con una maglia metallica completamente incorporata in un film polimerico. Questo documento presenta anche un metodo di fabbricazione a basso costo senza vuoto per questa nuova TE; L'approccio combina la lavorazione litografica, elettrolitica e trasferimento impronta (LEIT). La natura incorporata delle EMTE offre molti vantaggi, ad esempio la lisciezza superficiale, essenziale per la produzione di dispositivi elettronici organici; Stabilità meccanica superiore durante la curvatura; Favorevole resistenza alle sostanze chimiche e all'umidità; E forte adesione con pellicola in plastica. La fabbricazione di LEIT prevede un processo di galvanizzazione per la deposizione di metalli privi di vuoto e favorisce la produzione di massa industriale. Inoltre, LEIT consente la realizzazione di maglie metalliche ad elevato rapporto di aspetto ( cioè spessore con larghezza di linea), migliorando notevolmente la conducibilità elettrica senza perdere negativamente le prestazioni otticheansmittance. Abbiamo dimostrato diversi prototipi di EMTE flessibili, con resistenze in fogli inferiori a 1 Ω / sq e trasmittanze superiori al 90%, con conseguente elevate figure di merito (FoM) - fino a 1,5 x 10 4 - che sono tra i migliori valori del Letteratura pubblicata.
Introduction
In tutto il mondo sono stati condotti studi per cercare sostituzioni di ossidi di stagno trasparente rigidi (TCO) come ossido di stagno di indio e fi lms di ossido di stagno drogato con fluoro, al fine di realizzare TEs flessibili / estensibili da utilizzare in futuri flessibili / Dispositivi optoelettronici estensibili 1 . Ciò richiede nuovi materiali con nuovi metodi di fabbricazione.
Sono stati studiati i nanomateriali, quali il grafene 2 , i polimeri conduttori 3 , 4 , i nanotubi di carbonio 5 e le reti a nastro random metalliche 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 e hanno dimostrato le proprie capacità in TE flessibili, affrontando le carenze di Esistenti TE-based TCO, Inclusa la fragilità della fi lma 12 , la bassa trasmittanza a infrarossi 13 e la bassa abbondanza 14 . Anche con questo potenziale, è ancora difficile raggiungere una elevata conducibilità elettrica ed ottica senza deteriorarsi in continua flessione.
In questo quadro, le linee metalliche regolari 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 si stanno evolvendo come un promettente candidato e hanno compiuto una trasparenza ottica notevolmente elevata e una bassa resistenza del foglio che può essere regolabile su richiesta. Tuttavia, l'uso estensivo di TEs a base di metallo è stato ostacolato a causa di numerose sfide. In primo luogo, la fabbricazione spesso coinvolge la costosa deposizione a base di vuoto dei metalli 16 , 17 , 18 , 21 . In secondo luogo, lo spessore può facilmente causare cortocircuiti elettrici 22 , 23 , 24 , 25 in dispositivi optoelettronici a film sottile. In terzo luogo, la debole adesione con la superficie del substrato produce una scarsa flessibilità 26 , 27 . Le limitazioni summenzionate hanno creato una richiesta di nuove strutture TE a base di metallo e approcci scalabili per la loro fabbricazione.
In questo studio, riportiamo una nuova struttura di TE flessibili che contiene una maglia metallica completamente incorporata in un film polimerico. Descriviamo anche un approccio innovativo, basato su soluzioni e basso costo che combina litografia, elettrodeposizione e trasferimento impronta. I valori di FoM fino a 15k sono stati raggiunti sulle EMTE di campionamento. A causa della natura incorporata diLe EMTE, notevoli stabilità chimica, meccanica e ambientale sono state osservate. Inoltre, la tecnica di fabbricazione elaborata nella soluzione stabilita in questo lavoro può essere potenzialmente utilizzata per la produzione a basso costo e ad alto rendimento delle EMTE proposte. Questa tecnica di fabbricazione è scalabile alle più grandi linee di maglie metalliche, aree più grandi e una gamma di metalli.
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Protocol
ATTENZIONE: prestare attenzione alla sicurezza del fascio di elettroni. Indossare indumenti protettivi e vestiti corretti. Inoltre, gestire attentamente tutti i solventi e le soluzioni infiammabili.
1. Fabbricazione basata sulla fotolitografia dell'EMTE
- Fotolitografia per la fabbricazione del reticolo della maglia.
- Pulire i supporti in vetro FTO (3 cm x 3 cm) con detersivo liquido utilizzando tampone di cotone. Sciacquare accuratamente con acqua deionizzata (DI) utilizzando un tampone di cotone pulito. Pulire ulteriormente con ultrasuoni (frequenza = 40 kHz, temperatura = 25 ° C) in alcool isopropilico (IPA) per 30 s prima di essiccarli con aria compressa.
ATTENZIONE: Maneggiare con cura l'aria compressa. - Spincoat 100 μL del fotoresist sul vetro FTO pulito per 60 s a 4000 rpm (circa 350 xg per campioni con un raggio di 2 cm) per ottenere una pellicola uniforme di 1,8 μm.
- Cuocere la pellicola fotoresistente su una piastra elettrica per 50 sec100 ° C.
- Esporre la pellicola fotoresistente attraverso una maschera fotometrica con un reticolo di maglia (larghezza di 3 μm, passo di 50 μm) usando un allineatore maschera UV per una dose di 20 mJ / cm 2 .
- Sviluppare il fotoresist immergendo il campione nella soluzione sviluppatore per 50 s.
- Sciacquare il campione in acqua di DI e asciugarlo con aria compressa.
ATTENZIONE: Maneggiare con cura l'aria compressa.
- Pulire i supporti in vetro FTO (3 cm x 3 cm) con detersivo liquido utilizzando tampone di cotone. Sciacquare accuratamente con acqua deionizzata (DI) utilizzando un tampone di cotone pulito. Pulire ulteriormente con ultrasuoni (frequenza = 40 kHz, temperatura = 25 ° C) in alcool isopropilico (IPA) per 30 s prima di essiccarli con aria compressa.
- Elettrodeposizione di metalli.
- Versare 100 ml di soluzione di placcatura acquosa di rame in un bicchiere da 250 ml.
NOTA: altre soluzioni di placcatura acquosa ( ad esempio, argento, oro, nichel e zinco) possono essere utilizzate per la fabbricazione di EMTE con i rispettivi metalli.
ATTENZIONE: prestare attenzione alla sicurezza chimica. - Collegare il vetro FTO rivestito con fotoresistore al terminale negativo della configurazione elettrodeposizione a due elettrodi e immergerlo nella soluzione di placcatura come elettrodo di lavoro.
- Collegare la barra di metallo in rameAl terminale positivo dell'elettrodeposizione di due elettrodi come elettrodo di conteggio.
- Fornire una corrente costante di 5 mA (densità di corrente: ~ 3 mA / cm 2 ) usando uno strumento di sourcing e misurazione di tensione / corrente ( es. Sourcemeter) per 15 minuti per depositare il metallo allo spessore di circa 1,5 μm.
- Risciacquare accuratamente il campione di vetro FTO rivestito con fotoresistente con acqua DI e asciugarlo con aria compressa.
ATTENZIONE: Maneggiare con cura l'aria compressa. - Posizionare il campione di vetro FTO rivestito con fotoresist in acetone per 5 minuti per sciogliere il film fotoresistivo, con la maglia metallica nuda sulla parte superiore del vetro FTO.
- Versare 100 ml di soluzione di placcatura acquosa di rame in un bicchiere da 250 ml.
- Trasferimento termico della maglia metallica al supporto flessibile.
- Posizionare il campione di vetro FTO ricoperto di maglie metalliche sulle piastre riscaldate elettricamente dell'imprinter termico e inserire un film copolimero ciclico copolimero ciclico (COC) di 100 μm sopra il campione, rivolto verso l'altoIl lato della maglia metallica.
- Scaldare le lastre della pressa riscaldata a 100 ° C.
- Applicare 15 MPa di pressione d'impronta e tenerlo per 5 min.
ATTENZIONE: prestare attenzione alla sicurezza quando si utilizza la pressa riscaldata.
NOTA: il trasferimento di impronta può essere effettuato ad una pressione più bassa; Il valore di pressione (15 MPa) riportato qui è relativamente alto. Questa alta pressione è stata utilizzata per garantire che la maglia metallica sia stata completamente incorporata nel film COC. - Raffreddare le piastre riscaldate alla temperatura di deformazione di 40 ° C.
- Rilasciare la pressione dell'impronta.
- Scorri la pellicola COC dal vetro FTO, con la maglia metallica interamente incorporata nel film COC.
2. Fabbricazione delle EMTE sub-microniche
- Fabbricazione delle EMTE sub-micron usando la litografia a fascio di elettroni (EBL).
- Spincoat 100 μL di soluzione polimetilmetacrilato (PMMA) (15k MW, 4% in peso in anisole) sul vetro FTO pulito per 60 sec.T 2,500 giri / min (circa 140 xg per campioni con un raggio di 2 cm) per ottenere una pellicola uniforme di 150 nm.
- Cuocere la pellicola PMMA su una piastra per 30 minuti a 170 ° C.
- Attivare il sistema EBL e progettare il modello a maglie (larghezza di linea a 400 nm, passo di 5 μm) utilizzando un generatore di pattern 29 .
- Posizionare il campione in un microscopio elettronico di scansione collegato al generatore di pattern e eseguire il processo di scrittura 29 .
- Sviluppare la resistenza per 60 s in una soluzione mista di isopropil-chetone metilico e isopropanolo ad un rapporto 1: 3.
- Sciacquare il campione con acqua DI e asciugarlo con aria compressa.
ATTENZIONE: Maneggiare con cura l'aria compressa. - Posizionare 100 ml della soluzione di placcatura acquosa di rame in un bicchiere di medie dimensioni.
NOTA: Per la fabbricazione di EMTE con i rispettivi metalli devono essere utilizzate altre soluzioni di placcatura acquosa (per esempio, soluzioni di argento, oro, nichel e zincatura)./ Li> - Fissare il vetro FTO rivestito in PMMA al morsetto negativo della configurazione elettrodeposizione a due elettrodi, immergerlo nella soluzione di placcatura come elettrodo di lavoro e collegare la barra metallica in rame al terminale positivo per completare il circuito.
NOTA: Per le rispettive elettrodeposizionature di metallo devono essere utilizzate altre barre di metallo (ad esempio argento, oro, nichel e zinco). - Applicare una corrente adatta, corrispondente ad una densità di corrente di circa 3 mA / cm 2 , alla regione del reticolo della maglia per 2 min per depositare il metallo allo spessore di circa 200 nm (lo spessore effettivo deve essere determinato da SEM o AFM).
- Lavare con cautela il campione con acqua DI e metterlo in acetone per 5 minuti per sciogliere la pellicola PMMA.
- Mettere il campione di vetro FTO ricoperto di maglie metalliche sulle piastre riscaldate elettricamente del imprinter termico e collocare una pellicola COC (100 μm di spessore) sopra il campione.
- Scaldare le piastre a 100 ° C, applicare un 15Pressione MPa impronta, e tenerlo per 5 min.
- Raffreddare le piastre riscaldate alla temperatura di deformazione di 40 ° C e rilasciare la pressione di impronta.
- Sbucciate la pellicola COC dal vetro FTO, insieme a una maglia di metallo di questo tipo, completamente incorporata nel film COC.
3. Valutazione delle prestazioni delle EMTE
- Misura della resistenza del foglio.
- Spalmare la colla d'argento su due spigoli opposti del campione quadrato e aspettare che si asciughi.
- Posizionare con cautela le quattro sonde del dispositivo di misura della resistenza sui tamponi d'argento, seguendo le istruzioni sull'apparecchiatura.
- Passare alla modalità di misura della resistenza dello strumento di misura / misurazione e registrare il valore sul display.
- Misura della trasmissione ottica.
- Attivare l'impostazione della misura UV-Vis e calibrare lo spettrometro ( cioè, correlare le lettureHa campione standard per verificare l'esattezza dello strumento).
- Posizionare il campione EMTE sul supporto campione dello spettrometro e allineare correttamente la direzione ottica.
- Regolare lo spettrometro per la trasmissione 100%.
NOTA: Tutti i valori di trasmissione qui presentati sono normalizzati alla trasmissione assoluta attraverso il substrato di film COC nudo. - Misurare la trasmittanza del campione.
- Salvare la misura e l'uscita della configurazione.
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Representative Results
La figura 1 mostra il diagramma di flusso schema e di fabbricazione dei campioni EMTE. Come illustrato nella figura 1a , l'EMTE è costituito da una maglia metallica completamente incorporata in un film polimerico. La faccia superiore della maglia è allo stesso livello del substrato, mostrando una piattaforma generalmente liscia per la successiva produzione di dispositivi. La tecnica di fabbricazione è schematicamente illustrata nella figura 1b - e . Dopo aver spincoato una pellicola fotoresistente su un substrato di vetro FTO, la fotolitografia viene utilizzata per creare il reticolo della maglia in fotoresist per esposizione e sviluppo UV ( figura 1b ), rivelando la superficie conduttiva del vetro nella trincea. Nella fase successiva, il rispettivo metallo viene coltivato all'interno delle trincee mediante elettrodeposizione, che riempie le trincee per formare una normale maglia metallica ( Figura 1c figura 1d ). Successivamente, una pellicola polimerica è posizionata sul campione e riscaldata ad una temperatura superiore alla sua temperatura di transizione vetrosa. La maglia metallica viene spinta nel film polimerico ammorbidito attraverso l'applicazione di una pressione uniforme ( figura 1e ). Infine, raffreddando la pila a temperatura ambiente e levando la pellicola polimerica dal vetro conduttivo, la maglia metallica viene trasferita sulla pellicola plastica in forma completamente incorporata ( figura 1f ). L'intera procedura di fabbricazione è basata sulla soluzione e viene implementata in un'atmosfera ambientale; Quindi, può essere facilmente adattato per la produzione di massa.
La figura 2 mostra la microscopia a forza atomica (AFM) e la microscopia elettronica a scansione (SEM)Della morfologia dell'EMTE a differenti fasi di fabbricazione del processo LEIT. La figura 2a presenta le immagini di trincea nel film fotoresistico realizzato dalla fotolitografia. In questo campione specifico, la larghezza della trincea fotoresistiva è di circa 4 μm, mentre la profondità è di circa 2 μm. La Figura 2b mostra la maglia di rame elettrolitica sul vetro FTO. Come evidente dai risultati, la maglia di rame ha uno spessore e una larghezza di linea di circa 1,8 e 4 μm rispettivamente. La Figura 2c mostra la maglia di rame trasferita su un film COC 28 . Le immagini AFM confermano che la rugosità superficiale del compimento EMTE (1,8 μm spessore) è inferiore a 50 nm, confermando la configurazione incorporata. Il metodo LEIT può essere ulteriormente studiato variando il tempo di elettrodeposizione per rendere EMTE di rame di diversi spessori. La correlazione dello spessore del metallo e del tempo di elettrodeposizione è presaIllustrato nella figura 2d . La curva mostrata in figura 2d mostra che lo spessore del metallo cambia in modo non lineare con un aumento del tempo di elettrodeposizione. Ciò è dovuto alla sezione trasversale non rettangolare della trincea fotoresistente ( Figura 2a ), che ha un fondo più stretto ma una parte più larga. Così, durante l'elettrodeposizione (corrente costante), il tasso di crescita dello spessore del metallo diminuisce nel tempo. Di conseguenza, la maglia ha una larghezza maggiore nella parte superiore, vantaggiosa per il trasferimento di impronta poiché può essere ancorata meccanicamente nel film plastico.
La figura 3a -c illustra la caratterizzazione strutturale della produzione di EMTE con EBL a varie fasi del processo LEIT per convalidare la sua scalabilità dimensionale. La figura 3a mostra le immagini AFM e SEM del trenoChes fatto in film PMMA via EBL. La profondità e la larghezza della trincea sono rispettivamente rispettivamente di 150 e 400 nm. La Figura 3b mostra la maglia di rame elettrolitata sul vetro FTO, e la Figura 3c presenta la maglia di rame trasferita in impronta su un film COC. La maglia metallica sul substrato COC è in forma completamente incastrata, offrendo una forte adesione e stabilità con il substrato in plastica.
La figura 4a mostra la trasmittanza di EMTE di rame di 600 nm, 1 μm e 2 μm di spessori nell'intervallo di lunghezza d'onda di 300-850 nm. Quando lo spessore della maglia metallica è aumentato da 600 nm a 2 μm, è stata rilevata una riduzione minima della trasmittanza e questa caduta è attribuita al profilo non rettangolare della trincea nel fotoresist e nella sovrapposizione di metallo. D'altra parte, la resistenza del foglio di EMTE può essere significativamente ridotta quando lo spessore del metalloÈ aumentato, come dimostrato nella figura 4b . È stata registrata una resistenza del foglio eccezionalmente bassa di 0,07 Ω / sq per il rame EMTE con uno spessore di 2 μm, con la trasmittanza ottica ancora superiore al 70%.
La Figura 4b mostra il rapporto tra conducibilità elettrica e conduttività ottica (σ dc / σ opt ), un FoM comunemente usato per confrontare le prestazioni di TEs. I valori FoM mostrati in Figura 4b sono stati calcolati per varie EMTE effettuate in questo lavoro applicando la seguente espressione comunemente usata 4 , 7 , 17 , 18 : 
Dove R s è la resistenza del foglio e T è la trasmissione ottica ad un'onda di 550 nmlunghezza. L'inserto di Figura 4b mostra la relazione tra lo FoM e lo spessore del metallo. Il dato grafico mostra che lo spessore del metallo ha un'influenza significativa sulla resistenza del foglio e quindi sul valore del FoM migliorando la conducibilità di una maglia metallica più spessa senza perdere notevolmente la trasmittanza. I prototipi EMTE hanno raggiunto valori FoM superiori a 1,5 x 10 4 , che sono tra i migliori valori riportati in letteratura.
La Figura 5a mostra la resistenza del foglio e gli spettri UV-Vis di un rame EMTE altamente trasparente sul film COC (5 x 5 cm 2 ) con un passo, una larghezza di linea e uno spessore rispettivamente di 150, 4 e 1 μm che presentano la scalabilità di La dimensione totale della nostra struttura EMTE e della strategia di fabbricazione di LEIT. A causa del passo relativamente grande, il campione mostra una trasmissione ottica superiore (94%) mentre mCon una resistenza del foglio inferiore (0,93 Ω / sq). Allo stesso modo, numerosi dispositivi di resistenza del foglio e trasmittanza ottica possono essere raggiunti per diversi dispositivi regolando le caratteristiche geometriche chiave dell'EMTE.
La Figura 5b mostra la resistenza del foglio e gli spettri di trasmissione ottica delle EMTE di vari metalli, compresi argento, oro, nichel e zinco, per dimostrare la versatilità della scelta del materiale con la nostra EMTE. Gli spettri di trasmittanza sono quasi piatti e privi di carattere su tutta la gamma visibile, utile per i dispositivi di visualizzazione e le applicazioni di celle solari. Le EMTE a base di zinco, argento e nichel hanno spessori metallici paragonabili, perciò tutti i campioni hanno circa trasmissioni simili (quasi il 78%), mentre le resistenze sono 1,02, 0,52 e 1,40 Ω / sq. Rispettivamente. A causa dei diversi spessori metallici, le EMTE a base di oro e rame (quasi 2 μm e 600 nm, rispettivamente) hanno resistenze in fogli di 0,20 e 0,70 Ω / sq e trasmittanze rispettivamente del 72% e dell'82%. La produzione di queste EMTE ha confermato la versatilità del materiale, soddisfacendo così diverse esigenze della compatibilità chimica e della funzione di lavoro del conduttore in vari dispositivi.
La figura 6a e b presentano la flessibilità superiore delle nostre EMTE correlando la resistenza del foglio con i cicli di piegatura per i carichi di compressione e di trazione a raggi di 3, 4 e 5 mm. I risultati mostrati in Figura 6a dimostrano che per la curvatura a compressione con raggi da 4 a 5 mm non si verifica una evidente variazione nella resistenza del foglio (0,07 Ω / mq) per 1000 benditure. Inoltre, la variazione della resistenza del foglio è del 100% del suo valore iniziale (da 0,07 Ω / sq a 0,13 Ω / sq) per il raggio di curvatura di 3 mm. Allo stesso modo, per tensione bLe variazioni della resistenza del foglio nei confronti dei cicli di piegatura sono mostrati nella figura 6b , indicando che per 1000 cicli di raggi di 3, 4 e 5 mm le resistenze del foglio sono state modificate rispettivamente del 350%, del 150% e del 30% rispettivamente. La Figura 6c illustra la stabilità ambientale delle EMTE di rame dopo l'immersione in acqua DI e IPA e l'esposizione ad un'atmosfera calda e umida (60 ° C, 85% di umidità relativa). È evidente dai risultati che dopo 24 ore le strutture morfologiche e le resistenze dei fogli delle EMTE rimangono inalterate.
Figura 1: Schemi Schemi della Struttura EMTE e della Procedura di Fabbricazione di LEIT. (A) Un EMTE con una maglia metallica incorporata in una pellicola di plastica trasparente. B ) schemi di maglia realizzati in una resiSt filmato su un substrato di vetro conduttivo usando la litografia. C ) l'elettrodeposizione del metallo all'interno delle trincee della resistenza per la fabbricazione di una maglia metallica uniforme. ( D ) Sciogliere la resistenza per ottenere maglie di metallo nudo. ( E ) Riscaldamento e pressatura della maglia metallica in una pellicola di plastica. F ) Separazione della pellicola di plastica e della maglia metallica in forma completamente incastrata. Questa cifra è stata modificata dal riferimento 29 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Fabbricazione del prototipo EMT a rame da 50 μm. (A - c ) SEM (a sinistra, con l'inserto che mostra l'immagine ingrandita) e AFM (Destra) di un campione EMTE in diverse fasi di LEIT: ( a ) Schema di maglia nel fotoresist. ( B ) Rame in rame sul vetro FTO dopo la dissoluzione del fotoresist. ( C ) Maglia di rame completamente incorporata in un substrato COC. ( D ) Rapporto tra spessore del metallo e tempo di elettrodeposizione a una densità di corrente costante di elettrodeposizione (3 mA / cm 2 ). I casi non riusciti e riusciti dopo il trasferimento di impronta sono rispettivamente contrassegnati dai colori rosso e nero. Questa cifra è stata modificata dal riferimento 29 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: SEM (sinistra) e AFM (destra) Caratterizzazioni di un PRototipo Sub-micrometro-linewidth EMTE a diverse fasi di LEIT. (A) modelli Nanomesh fatti in un film PMMA usando EBL. B ) Nanomes di rame sul vetro FTO dopo aver sciolto la pellicola PMMA. ( C ) Nanomeschi di rame completamente incorporati in un substrato COC. Questa cifra è stata modificata dal riferimento 29 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Caratterizzazione delle prestazioni dei prototipi EMT a rame da 50 μm. (A) Spettri ottici delle tipiche EMTE di rame. Inset: immagine ottica del rame EMTE flessibile. ( B ) Rapporto tra la trasmittanza e la resistenza del foglio per le EMTE di rame Di diversi spessori di maglie; I valori corrispondenti FoM vengono visualizzati nell'inserto. Questa cifra è stata modificata dal riferimento 29 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Scalabilità dimensionale e versatilità dei materiali EMTE di rame. (A) Resistenza ai fogli e spettri ottici di un rame EMTE a rame alto con un passo di 150 μm su un grande substrato COC (5 x 5 cm 2 ). Inset: immagine ottica della grande area EMTE. ( B ) Resistenze del foglio e spettri ottici di EMTE da 50 μm di metalli diversi. Questa cifra è stata modificata dal riferimento 29 .P_upload / 56019 / 56019fig5large.jpg "target =" _ blank "> Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Stabilità meccanica ed ambientale dei rame EMTE. (A) Curva di variazioni nella resistenza del foglio con cicli di piegatura ripetuti. ( B ) Curva di variazioni nella resistenza del foglio con cicli di flessione ripetuti. ( C ) Cambiamenti nella resistenza del foglio nei test ambientali e chimici. Iniezione: immagini SEM dopo le prove. Questa cifra è stata modificata dal riferimento 29 . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Il nostro metodo di fabbricazione può essere ulteriormente modificato per consentire la scalabilità delle dimensioni e delle aree del campione e per l'utilizzo di vari materiali. La fabbricazione con successo di sottomicroimma-linewidth ( Figura 3a-3c ) di rame EMTE usando EBL dimostra che la struttura EMTE e le fasi chiave nella fabbricazione di LEIT, tra cui l'elettroplatura e il trasferimento di impronta, possono essere affidabilmente scalati fino ad un sotto-micrometro. Allo stesso modo, altri processi di litografia su vasta scala, come la fotolitografia 30 a fasi di fase, la litografia nano-imprint 31 e la litografia a raggi carica-carica 32 , possono anche essere utilizzati per creare modelli ad alta risoluzione nella pellicola resist. Il processo di elettrodeposizione utilizzato nella nostra dimostrazione si basa su un setup in scala di laboratorio. Tuttavia, il nostro metodo può essere facilmente modificato in un bagno elettrolitico a grande portata industriale per la produzione. Abbiamo usato quiIl trasferimento di impronta insufficiente nella dimostrazione, ma altri materiali che possono essere curati da ultravioletti o altri mezzi possono essere applicati anche al processo di trasferimento.
Quando si esegue il nostro metodo, possono verificarsi alcuni problemi. Lo spessore della maglia metallica, così come il suo profilo geometrico, sono fondamentali per la costante costruzione di LETE di EMTE. La curva mostrata in Figura 2d mostra che i trasferimenti hanno avuto successo solo per maglie più spesse ( cioè uno spessore superiore a 500 nm). Il motivo per i trasferimenti non riusciti è che la forza di trappola applicata della pellicola COC sulla superficie superiore e sul fianco di maglie metalliche più sottili semplicemente non poteva contrastare la forza di adesione tra il metallo e il vetro FTO.
Ci sono limitazioni al nostro metodo attuale. Sebbene LEIT sia un approccio conveniente per sostituire la deposizione di metallo a base di vuoto con un processo di galvanizzazione per la fabbricazione di EMTE, esso comprende una litografia obbligatoriaPasso passo quando si fa ogni campione. Ciò limita la sua idoneità alla produzione industriale di grandi volumi e grandi volumi. Il nostro futuro lavoro sarà incentrato sull'affrontare questo importante problema.
Con una migliore prestazione ad un costo più basso e con la strategia di produzione ad alta produttività, la nostra EMTE ha un'ampia gamma di applicazioni in dispositivi optoelettronici flessibili, quali le celle solari 33 , i diodi emettitori organici 34 , i transistori a film sottile biologici 35 , flessibili Pannelli touch 10 trasparenti, ecc . Inoltre, la maglia può essere usata in pelle artificiale trasferendola su supporti stretti. Attualmente stiamo studiando la sua idoneità in dispositivi elettronici estensibili. Infatti, la sua performance è promettente in tali applicazioni.
In sintesi, presentiamo le nuove EMTE in cui la rete metallica è meccanicamente ancorata in un film polimerico. ComparGli elettrodi in metallo esistenti, il vantaggio fondamentale di questa struttura EMTE è che utilizza una spessa rete metallica per una maggiore conducibilità elettrica, senza perdere la piattaforma superficiale. Le EMTE sono fabbricate per realizzare un rapporto di conducibilità elettrica-ottica di oltre 10 4 , che è tra i più alti dei TE 29 riportati in letteratura. Inoltre, la struttura incorporata aumenta la stabilità chimica delle EMTE in un'atmosfera ambientale e la stabilità meccanica sotto lo stress di flessione.
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Disclosures
Gli autori non hanno niente da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato parzialmente sostenuto dal Fondo di Ricerca Generale del Consiglio di Grants Research della Regione Amministrativa Speciale di Hong Kong (premio n. 17246116), il programma Young Scholar del National Science Foundation of China (61306123) Programma Generale della Commissione per l'Innovazione Scienza e Tecnologia del Comune di Shenzhen (JCYJ20140903112959959), e il Programma chiave di Ricerca e Sviluppo del Dipartimento Provinciale della Scienza e della Tecnologia di Zhejiang (2017C01058). Gli autori vorrebbero ringraziare Y.-T. Huang e SP Feng per il loro aiuto con le misure ottiche.
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).
