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  • Résumé
  • Résumé
  • Introduction
  • Protocole
  • Résultats
  • Discussion
  • Déclarations de divulgation
  • Remerciements
  • matériels
  • Références
  • Réimpressions et Autorisations

Résumé

Ce protocole décrit une stratégie de fabrication basée sur la solution pour des électrodes flexibles et performantes à haute performance avec une maille en métal épaisse entièrement intégrée. Les électrodes transparentes flexibles fabriquées par ce procédé se distinguent par les performances les plus élevées, notamment la résistance à la feuille ultra-faible, la haute transmittance optique, la stabilité mécanique sous pliage, une adhérence solide au substrat, la lisibilité de la surface et la stabilité de l'environnement.

Résumé

Ici, les auteurs rapportent l'électrode transparente en maille métallique intégrée (EMTE), une nouvelle électrode transparente (TE) avec une maille métallique complètement intégrée dans un film polymère. Cet article présente également une méthode de fabrication peu coûteuse et sans vide pour ce TE nouveau; L'approche combine le traitement lithographique, électrolytique et de transfert d'empreinte (LEIT). La nature intégrée des EMTE offre de nombreux avantages, tels que la douceur de surface élevée, ce qui est essentiel pour la production de produits électroniques organiques; Stabilité mécanique supérieure lors de la flexion; Résistance favorable aux produits chimiques et à l'humidité; Et une forte adhérence avec un film en plastique. La fabrication de LEIT comporte un procédé d'électrodéposition pour le dépôt de métaux sans vide et est favorable à la production industrielle de masse. En outre, LEIT permet la fabrication de mailles métalliques avec un rapport d'aspect élevé ( c.-à-d., L' épaisseur à la largeur de ligne), améliorant significativement sa conductance électrique sans perdre de manière optiqueAnsmittance. Nous démontrons plusieurs prototypes d'EMTE flexibles, avec des résistances de feuilles inférieures à 1 Ω / sq et des transmissions supérieures à 90%, ce qui entraîne des valeurs de mérite très élevées (FoM) - jusqu'à 1,5 x 10 4 - qui sont parmi les meilleures valeurs dans le Littérature publiée.

Introduction

Dans le monde entier, des études sont menées pour rechercher des remplacements d'oxydes conducteurs transparents rigides (TCO), tels que les films d'oxyde d'étain et d'oxyde d'étain dopé au fluor (FTO), afin de fabriquer des TE flexibles / extensibles à utiliser dans des conditions de flexibilité / Dispositifs optoélectroniques étirables 1 . Cela nécessite de nouveaux matériaux avec de nouvelles méthodes de fabrication.

Les nanomatériaux, tels que le graphène 2 , les polymères conducteurs 3 , 4 , les nanotubes de carbone 5 et les réseaux aléatoires de nanofils métalliques 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , ont été étudiés et ont démontré leurs capacités dans les TE flexibles, en répondant aux défauts de TCE existants, Y compris la fragilité de film 12 , la faible transmittance infrarouge 13 et la faible abondance 14 . Même avec ce potentiel, il est encore difficile d'obtenir une conductivité électrique et optique élevée sans détérioration sous pliage continu.

Dans ce cadre, les maillages métalliques réguliers 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20 évoluent en tant que candidat prometteur et ont réalisé une transparence optique remarquablement élevée et une faible résistance de la feuille, qui peut être réglable sur demande. Cependant, l'utilisation extensive de TE à base de maille métallique a été entravée en raison de nombreux défis. Tout d'abord, la fabrication implique souvent le dépôt coûteux et sous vide de métaux 16 , 17 , 18 , 21 . Deuxièmement, l'épaisseur peut facilement provoquer des courts-circuits électriques 22 , 23 , 24 , 25 dans des dispositifs optoélectroniques organiques à couche mince. Troisièmement, l'adhérence faible avec la surface du substrat entraîne une faible flexibilité 26 , 27 . Les limitations susmentionnées ont créé une demande pour de nouvelles structures TE à base de maille métallique et des approches évolutives pour leur fabrication.

Dans cette étude, nous rapportons une nouvelle structure de TE flexible qui contient une maille métallique complètement intégrée dans un film polymère. Nous décrivons également une approche de fabrication novatrice, basée sur des solutions et peu coûteuse qui combine la lithographie, l'électrodéposition et le transfert d'empreinte. Des valeurs FoM jusqu'à 15k ont ​​été atteintes sur les EMTE d'échantillons. En raison de la nature intégrée deLes EMTE, une stabilité chimique, mécanique et environnementale remarquable ont été observées. De plus, la technique de fabrication traitée par solution établie dans ce travail peut être utilisée pour la production à faible coût et à haut débit des EMTE proposés. Cette technique de fabrication est évolutive vers des lignes de maille de maille plus fines, de plus grandes surfaces et une gamme de métaux.

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Protocole

ATTENTION: faites attention à la sécurité des faisceaux d'électrons. Portez les lunettes de protection et les vêtements appropriés. En outre, manipulez tous les solvants et solutions inflammables.

1. Fabrication à base de photolithographie de l'EMTE

  1. Photolithographie pour la fabrication du maillage.
    1. Nettoyer les substrats en verre FTO (3 cm x 3 cm) avec un détergent liquide à l'aide d'un coton-tige. Rincez-les soigneusement avec de l'eau désionisée (DI) à l'aide d'un coton-tige propre. Nettoyez-les plus avant à l'ultra-sonication (fréquence = 40 kHz, température = 25 ° C) dans de l'alcool isopropylique (IPA) pendant 30 s avant de les sécher à l'air comprimé.
      ATTENTION: manipuler l'air comprimé avec précaution.
    2. Spincer 100 μL de la résine photosensible sur le verre FTO nettoyé pendant 60 s à 4 000 tr / min (environ 350 xg pour les échantillons avec un rayon de 2 cm) pour obtenir un film uniforme de 1,8 μm d'épaisseur.
    3. Faire cuire le film photorésistant sur une plaque chauffante pendant 50 s à100 ° C.
    4. Exposez le film photorésistant à travers un photomasque avec un motif de maille (largeur de ligne de 3 μm, hauteur de 50 μm) en utilisant un masque anti-UV pour une dose de 20 mJ / cm 2 .
    5. Développer la photorésine en immergeant l'échantillon dans la solution de révélateur pendant 50 s.
    6. Rincer l'échantillon dans de l'eau DI et le sécher à l'air comprimé.
      ATTENTION: manipuler l'air comprimé avec précaution.
  2. Electrodéposition de métaux.
    1. Verser 100 ml d'une solution aqueuse de placage de cuivre dans un bécher de 250 ml.
      REMARQUE: D'autres solutions aqueuses de placage ( p. Ex., Argent, or, nickel et zinc) peuvent être utilisées pour la fabrication d'EMTE avec les métaux respectifs.
      ATTENTION: faites attention à la sécurité chimique.
    2. Connectez le verre FTO recouvert de photorésist à la borne négative de la configuration d'électrodéposition à deux électrodes et immergez-le dans la solution de placage comme électrode de travail.
    3. Raccorder la barre en métal de cuivreÀ la borne positive de la configuration d'électrodéposition à deux électrodes en tant que contre-électrode.
    4. Fournir un courant constant de 5 mA (densité de courant: ~ 3 mA / cm 2 ) à l'aide d'un instrument de mesure et de mesure de tension / courant ( ex. Sourcemeter) pendant 15 minutes pour déposer le métal sur une épaisseur d'environ 1,5 μm.
    5. Rincer soigneusement l'échantillon de verre FTO revêtu d'un photorésist avec de l'eau DI et le sécher à l'air comprimé.
      ATTENTION: manipuler l'air comprimé avec précaution.
    6. Placez l'échantillon de verre FTO revêtu d'un photorésist dans de l'acétone pendant 5 minutes pour dissoudre le film de photorésist, avec le treillis métallique nu sur le verre FTO.
  3. Transfert d'impression thermique de la maille métallique sur le substrat souple.
    1. Placez l'échantillon de verre FTO recouvert de maille métallique sur les plateaux chauffés électriquement de l'imprimeur thermique et placez un film de copolymère d'oléfine cyclique flexible (COC) de 100 μm d'épaisseur sur l'échantillon face àLe côté en maille métallique.
    2. Chauffer les plaques de la presse chauffée à 100 ° C.
    3. Appliquer 15 MPa de pression d'impression et le maintenir pendant 5 min.
      ATTENTION: faites attention à la sécurité lors de l'utilisation de la presse chauffante.
      REMARQUE: le transfert d'empreinte peut être effectué à une pression inférieure; La valeur de pression (15 MPa) rapportée ici est relativement élevée. Cette pression élevée a été utilisée pour s'assurer que la maille métallique était intégrée dans le film COC.
    4. Refroidir les plateaux chauffés à la température de démoulage de 40 ° C.
    5. Relâchez la pression d'impression.
    6. Éloignez le film COC du verre FTO, avec le filet métallique entièrement encastré dans le film COC.

2. Fabrication d'EMTE sous-micron

  1. Fabrication d'EMTE sous micron utilisant une lithographie à faisceau électronique (EBL).
    1. Spincoat 100 μL de solution de méthacrylate de polyméthyle (PMMA) (15k MW, 4% en poids dans l'anisole) sur le verre FTO nettoyé pendant 60 saT 2 500 tr / min (environ 140 xg pour les échantillons avec un rayon de 2 cm) pour obtenir un film uniforme de 150 nm d'épaisseur.
    2. Cuire le film PMMA sur une plaque chauffante pendant 30 min à 170 ° C.
    3. Allumez le système EBL et concevez le modèle de maille (largeur de ligne de 400 nm, hauteur de 5 μm) à l'aide d'un générateur de motifs 29 .
    4. Placez l'échantillon dans un microscope électronique à balayage connecté au générateur de motif et exécutez le processus d'écriture 29 .
    5. Développer la résine pendant 60 s dans une solution mixte de méthylisopropylcétone et d'isopropanol à un rapport 1: 3.
    6. Rincer l'échantillon avec de l'eau DI et le sécher à l'air comprimé.
      ATTENTION: manipuler l'air comprimé avec précaution.
    7. Placer 100 ml de la solution de placage aqueux de cuivre dans un bécher de taille moyenne.
      REMARQUE: D'autres solutions de placage aqueux ( p. Ex., Solutions d'argent, d'or, de nickel et de placage de zinc) devraient être utilisées pour la fabrication d'EMTE avec les métaux respectifs.
    8. Fixez le verre FTO revêtu de PMMA à la borne négative de la configuration d'électrodéposition à deux électrodes, trempez-la dans la solution de placage en tant qu'électrode de travail et connectez la barre métallique de cuivre à la borne positive pour compléter le circuit.
      REMARQUE: D'autres barres de métaux (argent, or, nickel et zinc) doivent être utilisées pour les électrodépositions métalliques respectives.
    9. Appliquer un courant approprié, correspondant à une densité de courant d'environ 3 mA / cm 2 , à la région du motif de maille pendant 2 min pour déposer du métal à une épaisseur d'environ 200 nm (l'épaisseur réelle doit être déterminée par SEM ou AFM).
    10. Laver soigneusement l'échantillon avec de l'eau DI et le placer dans de l'acétone pendant 5 minutes pour dissoudre le film PMMA.
    11. Mettez l'échantillon de verre FTO recouvert de maille métallique sur les plateaux chauffés électriquement de l'imprimeur thermique et placez un film COC (100 μm d'épaisseur) sur l'échantillon.
    12. Chauffer les plaques à 100 ° C, appliquer un 15Pression d'impression MPa, et maintenez-le pendant 5 min.
    13. Refroidir les plateaux chauffés à la température de démoulage de 40 ° C et relâcher la pression d'impression.
    14. Éloignez le film COC du verre FTO, ainsi que le maillage métallique de micromètre complètement intégré dans le film COC.

3. Mesure du rendement des EMTE

  1. Mesure de la résistance des plaques.
    1. Faites passer la pâte d'argent sur deux bords opposés de l'échantillon carré et attendez qu'il sèche.
    2. Placez soigneusement les quatre sondes du dispositif de mesure de résistance sur les plaquettes en argent, en suivant les instructions de l'équipement.
    3. Passez au mode de mesure de résistance de la source d'alimentation / instrument de mesure et enregistrez la valeur sur l'affichage.
  2. Mesure de transmission optique.
    1. Activez la configuration de mesure UV-Vis et étalonnez le spectromètre ( c.-à-d., Corréler les lectures witHa échantillon standard pour vérifier la précision de l'instrument).
    2. Placez l'échantillon EMTE sur le support d'échantillon du spectromètre et alignez correctement la direction optique.
    3. Réglez le spectromètre pour une transmittance à 100%.
      REMARQUE: Toutes les valeurs de transmission présentées ici sont normalisées à la transmittance absolue à travers le substrat de film COC nu.
    4. Mesurer la transmission de l'échantillon.
    5. Enregistrez la mesure et déconnectez-vous de la configuration.

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Résultats

La figure 1 affiche le schéma et le diagramme de fabrication des échantillons EMTE. Comme le montre la figure 1a , l'EMTE se compose d'un treillis métallique entièrement encastré dans un film polymère. La face supérieure du maillage est au même niveau que le substrat, affichant une plate-forme généralement lisse pour la production ultérieure de l'appareil. La technique de fabrication est expliquée schéma...

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Discussion

Notre méthode de fabrication peut être modifiée pour permettre l'évolutivité des tailles de caractéristiques et des zones de l'échantillon et pour l'utilisation de divers matériaux. La fabrication réussie des EMTE en cuivre sous-micromètre ( Figure 3a-3c ) utilisant EBL prouve que la structure EMTE et les étapes clés de la fabrication LEIT, y compris l'électrodéposition et le transfert d'impression, peuvent être ajustées de manière fiable à une plag...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n'ont rien à dévoiler.

Remerciements

Ce travail a été partiellement soutenu par le Fonds général de recherche du Conseil des subventions de recherche de la Région administrative spéciale de Hong Kong (Prix n ° 17246116), le Programme des jeunes chercheurs de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (61306123), le Programme de recherche de base - Programme général de la Commission d'innovation en science et technologie de la municipalité de Shenzhen (JCYJ20140903112959959), et le Programme clé de recherche et de développement du Département provincial de la science et de la technologie du Zhejiang (2017C01058). Les auteurs souhaitent remercier Y.-T. Huang et SP Feng pour leur aide avec les mesures optiques.

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matériels

NameCompanyCatalog NumberComments
AcetoneSigma-AldrichW332615Highly flammable
IsopropanolSigma-Aldrich190764Highly flammable
FTO Glass SubstratesSouth China Xiang S&T, China
PhotoresistClariant, Switzerland54611L11AZ 1500 Positive tone resist (20cP)
UV Mask AlignerChinese Academy of Sciences, ChinaURE-2000/35
Photoresist DeveloperClariant, Switzerland184411AZ 300 MIF Developer
Cu, Ag, Au, Ni, and Zn Electroplating solutionsCaswell, USAReady to use solutions (PLUG N' PLATE)
Keithley 2400 SourceMeterKeithley, USA41J2103
COC Plastic FilmsTOPAS, GermanyF13-19-1Grade 8007 (Glass transition temperature: 78 °C)
Hydraulic PressSpecac Ltd., UKGS15011With low tonnage kit ( 0-1 ton guage)
Temperature ControllerSpecac Ltd., UKGS15515Water cooled heated platens and controller
ChillerGrant Instruments, UKT100-ST5
Polymethyl Methacrylate (PMMA)Sigma-Aldrich200336
AnisoleSigma-Aldrich96109Highly flammable
EBL SetupPhilips, NetherlandsFEI XL30Scanning electron microscope equipped with a JC Nabity pattern generator  
Isopropyl KetoneSigma-Aldrich108-10-1
Silver PasteTed Pella, Inc, USA16031
UV–Vis SpectrometerPerkin Elmer, USAL950

Références

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