Estratégia de fabricação processada e escalável para eletrodos flexíveis e transparentes de alto desempenho com malha metálica embutida

Resumo

Este protocolo descreve uma estratégia de fabricação baseada em solução para eletrodos transparentes flexíveis de alto desempenho com malha metálica totalmente embutida e espessa. Os eletrodos transparentes flexíveis fabricados por este processo demonstram entre os mais altos desempenhos relatados, incluindo resistência à chapa ultra-baixa, alta transmitância óptica, estabilidade mecânica sob flexão, forte aderência ao substrato, suavidade da superfície e estabilidade ambiental.

Resumo

Aqui, os autores relatam o eletrodo transparente de malha de metal embutido (EMTE), um novo eletrodo transparente (TE) com uma malha metálica totalmente embutida em uma película de polímero. Este artigo também apresenta um método de fabricação baixo custo, sem vácuo para este TE novo; O enfoque combina o processamento de litografia, galvanoplastia e transferência de impressão (LEIT). A natureza incorporada dos EMTEs oferece muitas vantagens, como a alta suavidade da superfície, que é essencial para a produção de dispositivos eletrônicos orgânicos; Estabilidade mecânica superior durante a flexão; Resistência favorável a produtos químicos e humidade; E forte adesão com filme plástico. A fabricação de LEIT possui um processo de galvanoplastia para deposição metálica sem vácuo e é favorável para a produção em massa industrial. Além disso, o LEIT permite o fabrico de malhas metálicas com uma relação de aspecto elevada ( isto é, a espessura para a largura de linha), aumentando significativamente a sua condutância elétrica sem perda negativa deInquérito. Demonstramos vários protótipos de EMTE flexíveis, com resistências de chapa inferiores a 1 Ω / sq e transmissões superiores a 90%, resultando em figuras de mérito (FoM) muito altas - até 1,5 x 10 ⁴ - que estão entre os melhores valores no Literatura publicada.

Introdução

Em todo o mundo, estão sendo realizados estudos para buscar substituições de óxidos condutores rígidos transparentes (TCOs), como óxidos de india e óleos de óxido de estanho dopados com flúor (FTO), a fim de fabricar TEs flexíveis / esticáveis ​​para serem usados ​​no futuro flexível / Dispositivos optoeletrônicos esticáveis ¹ . Isso requer novos materiais com novos métodos de fabricação.

Os nanomateriais, como o grafeno ² , os polímeros condutores ^{3 , 4} , os nanotubos de carbono ⁵ e as redes aleatórias de nanofios metálicos ^{6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11} , foram estudados e demonstraram suas capacidades em TEs flexíveis, abordando as deficiências de TE existentes TCO-based, Incluindo fragilidade de filme ¹² , transmitância de infravermelho baixo ¹³ e baixa abundância ¹⁴ . Mesmo com esse potencial, ainda é desafiador atingir alta condutividade elétrica e óptica sem deterioração sob flexão contínua.

Nessa estrutura, as malhas metálicas regulares ^{15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20} estão evoluindo como um candidato promissor e conseguiram uma transparência óptica notavelmente alta e baixa resistência da folha, que pode ser ajustável sob demanda. No entanto, o uso extensivo de TEs baseados em malha de metal foi dificultado devido a inúmeros desafios. Em primeiro lugar, a fabricação envolve frequentemente a deposição dispendiosa de metais ^{16 , 17 ,} baseada no vácuo ^{, 18 , 21} . Em segundo lugar, a espessura pode facilmente provocar circuitos elétricos de curto-circuito ^{22 , 23 , 24 , 25} em dispositivos optoeletrônicos orgânicos de película fina. Em terceiro lugar, a adesão fraca com a superfície do substrato resulta em baixa flexibilidade ^{26 , 27} . As limitações acima mencionadas criaram uma demanda por novas estruturas TE baseadas em malha de metal e abordagens escaláveis ​​para sua fabricação.

Neste estudo, relatamos uma nova estrutura de TEs flexíveis que contém uma malha metálica completamente incorporada em um filme de polímero. Descrevemos também uma abordagem de fabricação inovadora, baseada em soluções e de baixo custo que combina litografia, eletrodeposição e transferência de impressão. FoM valores até 15k foram alcançados EMTE EMTEs. Devido à natureza incorporada deForam observadas EMTEs, notável estabilidade química, mecânica e ambiental. Além disso, a técnica de fabricação processada por solução estabelecida neste trabalho pode ser potencialmente utilizada para a produção de baixo custo e alto rendimento dos EMTEs propostos. Esta técnica de fabricação é escalável para linhas de linha de malha metálica mais finas, áreas maiores e uma variedade de metais.

Protocolo

CUIDADO: Preste atenção à segurança do feixe de elétrons. Use os óculos e roupas de proteção corretos. Além disso, manipule todos os solventes e soluções inflamáveis ​​com cuidado.

1. Fabricação baseada em fotolitografia da EMTE

1. Fotolitografia para fabricar o padrão de malha.
   1. Limpe os substratos de vidro FTO (3 cm x 3 cm) com detergente líquido com cotonete de algodão. Lave-os cuidadosamente com água desionizada (DI) usando um cotonete de algodão limpo. Além disso, limpe-os usando ultra-sonicação (freqüência = 40 kHz, temperatura = 25 ° C) em álcool isopropílico (IPA) por 30 s antes de secá-los com ar comprimido.
      CUIDADO: Manuseie com cuidado o ar comprimido.
   2. Spincoat 100 μL da fotorresistência no vidro FTO limpo por 60 s a 4.000 rpm (aproximadamente 350 xg para amostras com um raio de 2 cm) para obter um filme uniforme de 1,8 μm de espessura.
   3. Asse o filme fotossensível em uma placa quente por 50 s no100 ° C.
   4. Exponha o filme fotorresistente através de uma fotomátema com um padrão de malha (largura de linha de 3 μm, passo de 50 μm) usando um alinhador de máscara UV para uma dose de 20 mJ / cm ² .
   5. Desenvolva o fotorresistente imergindo a amostra na solução de revelador por 50 s.
   6. Enxaguar a amostra em água DI e secá-la com ar comprimido.
      CUIDADO: Manuseie com cuidado o ar comprimido.
2. Electrodeposição de metais.
   1. Despeje 100 ml de solução de revestimento aquoso de cobre em um copo de 250 mL.
      NOTA: Outras soluções de revestimento aquoso ( por exemplo, prata, ouro, níquel e zinco) podem ser utilizadas para a fabricação de EMTEs com os respectivos metais.
      CUIDADO: Preste atenção à segurança química.
   2. Conecte o vidro FTO coberto por fotorresistência ao terminal negativo da configuração de eletrodeposição de dois eletrodos e mergulhe na solução de revestimento como eletrodo de trabalho.
   3. Conecte a barra de metal de cobrePara o terminal positivo da configuração de eletrodeposição de dois eletrodos como o contra-eletrodo.
   4. Forneça uma corrente constante de 5 mA (densidade de corrente: ~ 3 mA / cm ² ) usando um instrumento de abastecimento e medição de tensão / corrente ( por exemplo, Sourcemeter) durante 15 minutos para depositar o metal em uma espessura de aproximadamente 1,5 μm.
   5. Enxaguar completamente a amostra de vidro FTO revestida com fotorresistência com água DI e secá-la com ar comprimido.
      CUIDADO: Manuseie com cuidado o ar comprimido.
   6. Coloque a amostra de vidro FTO revestida com fotorresistência em acetona por 5 minutos para dissolver a película de fotorresistência, com a malha de metal nua sobre o vidro FTO.
3. Transferência de impressão térmica da malha metálica para o substrato flexível.
   1. Coloque a amostra de vidro FTO coberta com malha metálica nos pratos aquecidos eletricamente da impressora térmica e coloque um filme de copolímero de olefinas cíclicas flexíveis (COC) de 100 μm de espessura em cima da amostra, de frente paraO lado da malha metálica.
   2. Aqueça as placas da prensa aquecida a 100 ° C.
   3. Aplique 15 MPa de pressão de impressão e segure-o por 5 min.
      CUIDADO: Preste atenção à segurança ao usar a prensa aquecida.
      NOTA: A transferência de impressão pode ser feita com uma pressão menor; O valor de pressão (15 MPa) relatado aqui é relativamente alto. Esta alta pressão foi utilizada para garantir que a malha metálica estava completamente embutida no filme COC.
   4. Arrefecer os pratos aquecidos até a temperatura de desmoldagem de 40 ° C.
   5. Solte a pressão de impressão.
   6. Retire o filme COC do vidro FTO, com a malha metálica totalmente incorporada no filme COC.

2. Fabricação de EMTE Sub-micron

1. Fabricação de EMTEs submicrométricos usando litografia de feixe de elétrons (EBL).
   1. Spincoat 100 μL de solução de metacrilato de polimetilo (PMMA) (15k MW, 4% em peso em anisole) no vidro FTO limpo para 60 saT 2.500 rpm (aproximadamente 140 xg para amostras com um raio de 2 cm) para atingir um filme uniforme de 150 nm de espessura.
   2. Asse o filme PMMA numa placa quente durante 30 min a 170 ° C.
   3. Ligue o sistema EBL e crie o padrão de malha (largura de linha de 400 nm, passo de 5 μm) usando um gerador de padrões ²⁹ .
   4. Coloque a amostra em um microscópio eletrônico de varredura conectado ao gerador de padrões e execute o processo de escrita ²⁹ .
   5. Desenvolver a resistência durante 60 s em uma solução mista de metil isopropil cetona e isopropanol a uma proporção de 1: 3.
   6. Enxaguar a amostra com água DI e secá-la com ar comprimido.
      CUIDADO: Manuseie com cuidado o ar comprimido.
   7. Coloque 100 mL da solução de revestimento aquoso de cobre em um copo de tamanho médio.
      NOTA: Outras soluções de revestimento aquoso ( p . Ex., Soluções de prata, ouro, níquel e zincamento) devem ser utilizadas para a fabricação de EMTEs com os respectivos metais.
   8. Conecte o vidro FTO revestido com PMMA ao terminal negativo da configuração de eletrodeposição de dois eletrodos, mergulhe-o na solução de revestimento como eletrodo de trabalho e conecte a barra de metal de cobre ao terminal positivo para completar o circuito.
      NOTA: Outras barras de metais ( isto é, prata, ouro, níquel e zinco) devem ser usadas para as respectivas eletrodeposições metálicas.
   9. Aplique uma corrente adequada, correspondente a uma densidade de corrente de aproximadamente 3 mA / cm ² , na região do padrão de malha durante 2 min para depositar metal em uma espessura de aproximadamente 200 nm (a espessura real deve ser determinada por SEM ou AFM).
   10. Lavar cuidadosamente a amostra com água DI e colocá-la em acetona por 5 minutos para dissolver o filme PMMA.
   11. Coloque a amostra de vidro FTO coberta com malha metálica nos pratos aquecidos eletricamente da impressora térmica e coloque uma película de COC (100 μm de espessura) na parte superior da amostra.
   12. Aqueça as placas a 100 ° C, aplique um 15Pressão de impressão MPa, e segure-a por 5 min.
   13. Arrefecer os pratos aquecidos para a temperatura de desmoldagem de 40 ° C e liberar a pressão de impressão.
   14. Retire o filme de COC do vidro FTO, juntamente com a malha metálica de micrométrica totalmente embutida no filme COC.

3. Medição do desempenho dos EMTEs

1. Medição da resistência da folha.
   1. Espalhe pasta de prata em duas arestas opostas da amostra quadrada e aguarde até que seque.
   2. Coloque cuidadosamente as quatro sondas do dispositivo de medição de resistência nas almofadas de prata, seguindo as instruções do equipamento.
   3. Mude para o modo de medição de resistência da fonte de energia / instrumento de medição e grave o valor no visor.
2. Medição de transmissão óptica.
   1. Ative a configuração de medição UV-Vis e calibre o espectrômetro ( ou seja, correlate as informações de leituraHa amostra padrão para verificar a precisão do instrumento).
   2. Coloque a amostra EMTE no suporte da amostra do espectrômetro e alinhe adequadamente a direção óptica.
   3. Ajuste o espectrômetro para 100% de transmitância.
      NOTA: Todos os valores de transmitância apresentados aqui são normalizados para a transmitância absoluta através do substrato de filme COC desencapado.
   4. Meça a transmitância da amostra.
   5. Salve a medição e o fim da instalação.

Resultados

A Figura 1 exibe o diagrama esquemático e de fabricação das amostras EMTE. Conforme apresentado na Figura 1a , o EMTE consiste em uma malha metálica totalmente incorporada em uma película de polímero. A face superior da malha está no mesmo nível que o substrato, exibindo uma plataforma geralmente lisa para a produção posterior do dispositivo. A técnica de fabricação é explicada esquematicamente na

Discussão

Nosso método de fabricação pode ser modificado adicionalmente para permitir a escalabilidade dos tamanhos de recursos e áreas da amostra e para o uso de vários materiais. A fabricação bem sucedida de EMTEs de cobre sub-micrómetro-largura de linha ( Figura 3a-3c ) usando EBL prova que a estrutura EMTE e as etapas-chave na fabricação LEIT, incluindo galvanoplastia e transferência de impressão, podem ser ajustadas de forma confiável para uma faixa de submicrometria. Da mesma f...

Materiais

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