Электроды мрз: Электроды МР-3 – технические характеристики

Интеграция микросуперконденсаторов
(MSC) со встроенными датчиками
и приводы с наноэнергетическими харвестерами могут увеличить срок службы
беспроводных сенсорных узлов в архитектуре Интернета вещей (IoT).
Тем не менее, чтобы упростить интеграцию с такой технологией комбайна, MSC
должен быть изготовлен через комплементарный металл-оксид-полупроводник
(CMOS) совместимая технология, повсеместный выбор электродов с
возможность гетерогенной укладки электродов для модуляции
в свойствах, определяемых требованиями приложения. В этой статье,
мы решаем обе эти проблемы путем изготовления многоэлектродных
модульные микросуперконденсаторы с высокой плотностью энергии (MSC), содержащие
восстановленный оксид графена (GO), GO-гептадекан-9-амин (GO-HD9A), rGO-октадециламин
(rGO-ODA) и rGO-гептадекан-9-амин (rGO-HD9A), которые складываются через
масштабируемый, совместимый с CMOS процесс центрифугирования с высокой производительностью.
Кроме того, мы сравниваем производительность стека с отдельными
электродные МСК, изготовленные с помощью того же процесса. Человек
электроды в присутствии бис(трифторметилсульфони)имида 1-этил-3-метилимидазолия
(EMIM-TFSI), демонстрируют емкость 38, 30, 36 и 105 мкФ.
см ^–2 при 20 мВ с ^–1 , тогда как
изготовленный пакет электродов демонстрирует высокую емкость
280 мкФ см ^–2 при 20 мВ с ^–1 при сохранении и увеличении емкости, зависящей от материала,
Удержание заряда и удельная мощность.

Ключевые слова: микросуперконденсаторы, графен, КМОП, МЭМС, центрифугирование, штабелирование, модульность

Быстрые шаги в интеграции
микроэлектромеханических систем (МЭМС)
и технология комплементарных металлов-оксидов-полупроводников (КМОП), основанная на
интегральные схемы (ИС) привели к экспоненциально растущему спросу
для электроники и, в частности, мобильной электроники. ¹ Поскольку электронные устройства продолжают уменьшаться в размерах,
имея лучшую производительность и расширяя функциональность, ² их растущее изобилие быстро увеличивает
общие требования к мощности, традиционно полагаясь на батареи в качестве их
первичный источник питания. ³ Однако, несмотря на
обширных исследований новых экологичных материалов ⁴⁻⁶ для аккумуляторов
электродов, их срок службы значительно ниже требований
для автономного питания датчика, проблема, которая может быть решена
путем интеграции системы сбора/накопления энергии в устройство.
Такая интеграция позволила бы устройству быть потенциально автономным.

Системы сбора урожая традиционно основывались на таких механизмах, как
как солнечный свет, контакт или вибрация для обеспечения электрической энергии. ⁷ Для питания микроэлектронных схем, таких как беспроводные
сенсорных узлов, потребность в энергии обычно составляет от 100 мкВт
до 10 мВт. ⁸ Кремниевые фотогальванические элементы имеют коммерческие
доступные продукты, которые могут генерировать электроэнергию для целых домохозяйств. ⁹ Эффективность преобразования 15% для
10 мВт см ^–2 солнечной энергии в окружающей среде.
MEMS вибрационные пьезоэлектрические сборщики энергии и трибоэлектрические
сборщики энергии также продемонстрировали потенциал
устройства, которые могут поддерживать функцию автономного питания ^10,11 с возможностью сбора 4–100 мкВт см ^–2 . Эти устройства традиционно изготавливаются с использованием КМОП-совместимых
процессы изготовления. Микросуперконденсатор (MSC) является идеальным кандидатом
для накопителя энергии для систем с автономным питанием, так как он имеет
потенциал для жизни цикла намного выше, чем у современного состояния техники
батареи. ¹² Кроме того, мощная
плотность MSC хорошо подходит для быстрых циклов заряда/разряда
типичный для наноэнергетического комбайна. Однако использование полного
потенциал этих технологий требует интеграции MSC через
Технология, совместимая с CMOS, для полностью интегрированного автономного
сенсорный узел.

КМОП-совместимые процессы ограничены определенными
выбор изготовления
такие технологии, как напыление, термический отжиг, физико-химический
осаждение из паровой фазы, электронно-лучевое испарение, фотолитография, легирование,
и реактивное ионное травление. Устройства, которые можно изготовить с помощью CMOS
совместимые процессы жизнеспособны для интеграции на кристалле со встроенными
схемы. ¹³ Для интеграции MSC в CMOS
и технологии MEMS в начальном процессе (FEOL), нам нужно
для удовлетворения двух основных потребностей интеграции. Во-первых, они должны быть изготовлены
благодаря масштабируемым методологиям, совместимым с технологиями CMOS и MEMS
и во-вторых, процесс должен быть повсеместным для осаждения электрода.
материал, разработанный для высокой энергии, низкого саморазряда или любого другого
специальные характеристики, специально синтезированные для выполнения задач
потребности.

Обзор литературы, посвященный потребностям масштабируемости
и МЭМС
совместимость показывает, что МСК на основе кремниевой подложки могут быть изготовлены
с помощью технологий, совместимых с КМОП, таких как химическое осаждение из газовой фазы, ¹⁴ лазерное скрайбирование, ¹⁵ струйная печать, ¹⁶ легирование, ¹⁷ послойная сборка, ¹⁸ пиролиз, ¹⁹ пиролиз и покрытие ^{19 900. 20,21 Кроме того, несколько масштабируемых методов, таких как вакуумная фильтрация, 22 рентгенография, 23 спрей
покрытие, 24 и напыление 25 применялись для изготовления твердотельных и гибких
МСК. Среди всех этих процессов центрифугирование является одним из процессов, который
можно считать действительно универсальным материалом, будучи совместимым с CMOS.
Покрытие центрифугированием особо не зависит от выбора материала; несколько
электродные материалы, такие как rGO, 26 углерод
нанотрубки (УНТ), 15 углеродные нановолокна (УНВ), 14 луковичный углерод (ОЛУ), 27 углерод, полученный из карбида (CDC), 28 наночастицы графена (GNP), 29 и
расслоенный графен 30 может быть синтезирован
в водные органические/неорганические растворы; это важно для хорошего
спиннинговое покрытие. 31 Среди них rGO продемонстрировал
емкость для высокой энергии и плотности МСК, с графеном с
большая удельная поверхность (2630 м 2 г –1 ). Кроме того, rGO можно комбинировать с несколькими функционализациями.
агенты для улучшения возможностей MSC в вышеупомянутых условиях. 32 MSC с центрифугированием, ориентированные на совместимость с CMOS
были сфабрикованы Huang et al. 33 через
узоры лазерной резки на маске из каптоновой ленты на кремниевой подложке.
материал наносится методом центрифугирования на открытые поверхности для изготовления встречно-штыревых
электроды. Точно так же Zhang et al. 34 есть
также продемонстрировал изготовление твердотельных МСК на основе графена с помощью
спиннинговое покрытие. Оба эти процесса, однако, используют каптоновую ленту в качестве
маскирующее средство. В последнее время композиты на основе графена, смешанные с нанопроволоками Ag,
или однослойные УНТ использовались в качестве материала для центрифугирования для
плоттерное изготовление всех твердых МСК. 23 Точно так же графен использовался с комбинацией
MXenes с CNT для применения фильтра нижних частот. 35 Композиты из вспененного графена, индуцированного 3D-лазером, смешанные с
Нанолисты ZnP также использовались для интеграции с трибоэлектрическими
наногенераторы (ТЭНГ) в масштабируемом производственном процессе за счет вращения
покрытие. 36 Еще один набор MSC с центрифугированием
были изготовлены Mai et al., 37 , где
электроды были составлены из чередующейся стопки ВОГ-УНТ
фоторезистивные композиты. MSC дополнительно проиллюстрировали центрифугирование.
с графеном в качестве основного материала электрода для модуляции свойств, как
идеальный кандидат для недорогого изготовления MSC с высокой плотностью энергии
процесс также совместим для интеграции со сбором микроэнергии
методы. Однако для интеграции в такие приложения, как
Интернет вещей, телесные имплантаты и системы RFID, производство МСК через
центрифугирование требует стандартизированного плана процесса, этапы которого
могут быть включены в существующую установку по производству КМОП/МЭМС.}

Ранее мы демонстрировали процесс центрифугирования для
изготовление МСК в процессе спин-покрытия, совместимом с КМОП, путем изготовления
электроды rGO на основе графена через жесткую алюминиевую маску. ³⁸ Однако у этих устройств были проблемы с
адгезия электрода, покрытие пластины материалом и однородность в
толщина электродов с центрифужным покрытием. Процесс центрифугирования был
улучшено за счет придания шероховатости поверхности за счет наночастиц Fe
для улучшенного покрытия, адгезии и однородности. ²¹ Однако до сих пор этот процесс не тестировался на
укладка различных электродных материалов для получения модульных свойств
такие как оптимизация плотности энергии при демонстрации хорошей мощности
плотность.

Таким образом, эта статья демонстрирует изготовление
модульный композит
стек функционализированного РГО на основе четырех различных материалов.
электродные материалы включают послеотожженный восстановленный оксид графена (GO),
постотожженный разветвленный алкиламино GO-гептадекан-9-амин (GO-HD9А),
предварительно восстановленный линейный rGO-октадециламин (rGO-ODA) и предварительно восстановленный rGO-гептадекан-9-амин
(rGO-HD9A), наносимое методом центрифугирования слой за слоем восходящим методом. Органический
группы, такие как гептадекан-9-амин (HD9A) и октадециламин (ODA)
цепи улучшают стабильность раствора rGO ³⁹ , сохраняя при этом его скрытые характеристики. HD9A и ОДА
представляют собой разветвленные и линейные алкиламиновые цепи соответственно. Эти функциональные
группы также могут позволить комбинировать rGO с несколькими различными материалами
для модуляции характеристик MSC. Этот стек отдельных
Материалы на основе ВОГ обладают аддитивным откликом на емкостные характеристики.
Стек-MSC. Критическая оценка МСК из сингулярного материала
также было выполнено для каждого компонента пакета электродов.
Показано, что МСК, содержащий стопку электродных материалов, соответствует
к свойствам МСК, изготовленных из отдельных компонентов
элементы. МСК -GO-, GO-HD9A, rGO-ODA и rGO-HD9A в присутствии
бис(трифторметилсульфони)имида 1-этил-3-метилимидазолия (EMIM-TFSI),
демонстрируют емкость 38, 30, 36 и 105 мкФ см ^–2 при 20 мВ с ^–1 соответственно; сфабрикованный стек
(Stack-MSC) демонстрирует емкость 280 мкФ см ^–2 при 20 мВ с ^–1 при сохранении и усилении материала.
зависимая емкость, удержание заряда и удельная мощность.

MSC со штабелированными электродными материалами изготавливаются
на 2-в.
Кремниевая подложка (а). Субстрат очищается в растворе 1:1 NH 9.0172 3 :H ₂ O ₂ и 1:1 HCl:H ₂ O ₂ при 80 °C для
10 мин соответственно. Слой SiO ₂ толщиной 400 нм термически
выращивают на поверхности подложки, чтобы сделать устройства изолирующими.
Поверхность SiO ₂ шероховатая благодаря тонкой пленке Cr (2 нм)
отожжена при 500 °С ²¹ (б). Au/Cr (100/20 нм) ток
коллекторы наносятся на поверхность через отрывной фоторезист
маска. Фоторезист ЛОР-3А (Microchem) и S1813 (MicroChem)
центрифугированием на шероховатой поверхности подложки при 4000 и 2000 мкм
об/мин с ^–1 (в). Мягкая выпечка при 180°С в течение 5 мин и 120°С
в 1 мин 20 с проводится. Экспонируется фоторезист с центрифугированием
в выравнивателе ультрафиолетовой маски под заказную хромированную жесткую маску с
схемы токосъемников. Фоторезист проявлен в МФ-319.
проявитель на 90 с. Подложка очищается в O ₂ для
1 мин при 100 Вт. Затем на поверхность с улучшенной поверхностью напыляют золото и титан.
подложка путем электронно-лучевого испарения (d). Был разработан отрывной фоторезист
в растворе для удаления mr-REM 400 (MicroChem) при обработке ультразвуком 35 кГц для
55 мин. Как только токосъемники изготовлены (e), мы наносим покрытие на электрод методом центрифугирования.
решения при различных скоростях отжима, полученные в результате тщательного тестирования
вращения всех растворов на разных скоростях вращения для получения
самое равномерное покрытие на кремниевой микросхеме с хромовым покрытием. Для GO, GO-HD9А,
rGO-ODA и rGO-HD9A-MSC, пять слоев каждого из которых были покрыты центрифугированием,
в то время как в уложенном MSC все четыре слоя из разных материалов
покрываются центрифугированием пять раз между интервалами вакуумной сушки при 100
°С (е).
Результирующая толщина, достигаемая для каждого слоя, составляет 180 ± 20,
130 ± 20, 170 ± 20, 595 ± 40 и 1,2 ± 0,1 мкм
для GO, GO-HD9A, rGO-ODA, rGO-HD9A и Stack-MSC соответственно.
Представление порядка слоев в Stack MSC показано на k. Как только слои
имеют высушенное полимерное покрытие из поли(метилметакрилата) (ПММА) (20 нм)
На поверхность нанесено центрифугирование для улучшения однородности поверхности. Аль
слой 200 нм наносится путем электронно-лучевого испарения (g) на поверхность
полимера, а затем травится в промежутках рисунка МСК через
реактивное ионное травление через Cl ₂ /SiCl ₄ смесь
в присутствии Ar (h). Затем пакет электродов был вытравлен с использованием рецепта плазмы O ₂ при 100 Вт при 100 мТорр (i). Наконец, жесткая маска Al выгравирована и
образцы отжигают при 500 ° C, чтобы преобразовать GO в rGO для улучшения
устройство сопротивления путем унификации стопки ⁴⁰ (j).

Открыть в отдельном окне

(a–j) Схема процесса изготовления МСК методом центрифугирования
электродного раствора и последующее жесткое маскирование алюминиевым
слой. (k) Схематическая ориентация электродов Stack MSC во время
этап процесса осаждения методом центрифугирования.

Части a–d показывают оптические микрофотографии подложки пластины после
каждый соответствующий шаг изготовления. Как видно на изображениях, процесс
соответствует проявлению фоторезиста с окончательным набором электродов
принимая точную форму в d токосъемников, показанных в a. Это свидетельствует о возможности
доведение конструкции устройства до микрометров, даже нанометров, если
процесс литографии позволяет такое разрешение. Выход пластин может
видно на е, где 18 из 24 устройств, изготовленных на пластине, функционируют.
Наблюдения за микрофотографиями SEM в поперечном сечении предполагают наложение
листов рГО на плоской площадке в ф. Оптические микрофотографии в частях g и
час шоу
что межпальцевые пальцы не имеют непротравленного материала
которые могут выступать в качестве шорт.

Открыть в отдельном окне

(a) Токоприемники Au/Cr после подъема. (b)
Смесь для центрифугирования
растворов на подложке пластины. (c) Жесткая алюминиевая маска. (d) Стопка
электроды на токосъемниках на заключительном этапе. (e) Захват камеры
изготовленной пластины Stack-MSC (2 дюйма). (f) Поперечное сечение
изготовленные MSC с проводящими слоями rGO примерно 1,1 мкм.
(g) Оптическая микрофотография Stack-MSC. (h) Оптический с высоким разрешением
изображение геометрии пальца после сокращения Stack-MSC GO.

В этом разделе мы
сначала обсудите производительность отдельных
электроды на основе МСК, т.е. GO-MSC, GO-HD9A, rGO-ODA, rGO-HD9A и
затем опишите электрохимические характеристики Stack-MSC, все
изготавливается с помощью процесса, описанного в разделе «Изготовление».
МСК. Наконец, мы представляем сравнение Stack-MSC с
входящие в его состав МСК.

Влияние шероховатости поверхности на центрифугирование
и производительность
отдельных МСК, GO, GO-HD9A, rGO-ODA и rGO-HD9A показаны на a–d. В i молекулярный
представлены конструкции из различных материалов. Слой GO в a–i — это слой
графена с различными участками окисления, отмеченными красным цветом. GO-HD9А,
аналогично графен функционализирован разветвленным алканом с
функциональная группа амина, гептадекан-9-амин и специфическая связь
места. Эта функционализация была достигнута для увеличения поверхности
адгезии GO и для облегчения однородности толщины. рГО-ОДА
аналогичная функционализация линейной алкановой группой вместо
разветвленный с аминным концом. Кроме того, он также предварительно функционализирован в
раствор и, таким образом, не требует последующего отжига для
снижение ГО. Наконец, rGO-HD9Предварительно восстановленный GO-HD9A с аналогичными
свойств в качестве его предшественника. Влияние шероховатости поверхности на
растворы электродов можно наблюдать в ii, более конкретно для функционализированных
Решения GO, в которых мы видим чрезвычайно сильное изменение покрытия поверхности
по сравнению с нешероховатой подложкой. Электрохимические результаты
изготовленные МСК можно увидеть в iii. Сначала не интуитивно видно
что rGO-HD9A обладает наибольшей удельной емкостью, как и следовало ожидать.
rGO-ODA, чтобы продемонстрировать более высокую удельную площадь поверхности из-за его неразветвленного
алкановая цепь. Однако, поскольку количество депонированного rGO-HD9А, увеличенный
благодаря более высокому стерическому взаимодействию существенно выше, чем для
другие материалы, мы видим более высокую способность хранить заряд.
стерические затруднения молекул увеличивают площадь взаимодействия
для последующего центрифугирования слоев. Сумма депонирования
rGO-HD9A примерно в 3 раза выше, чем у GO, GO-HD9A,
и рГО-ОДА. Однако при нормировании емкости по отношению
громкости устройства, мы замечаем, что rGO-HD9A является одним из худших
материалы. Это тоже можно объяснить наличием стерических затруднений.
внутри молекул.

Открыть в отдельном окне

(i) Схематическое изображение конфигурации атома.
(ii)
Улучшение покрытия электродов с центрифугированием после добавления
слой наночастиц Cr (эксперименты проводились на чипах ² Si толщиной 1 см). (iii) циклические вольтамперограммы МСК с 20 пальцами с
Промежуток 40 мкм, изготовленный с помощью процесса, описанного в при различных скоростях сканирования в диапазоне от 100–500 мВ с ^–1 . (iv) График Боде для сфабрикованных МСК для 3 г/л (а)
Перейти в H ₂ O (уменьшенная постобработка), (б) GO-HD9A в ODCB (уменьшенная
постпроцесс), (c) rGO-ODA в ODCB и (d) rGO-HD9A в ODCB.

GO-MSC в a-iii демонстрирует более сильное квазипрямоугольное поведение (определено
по R ) по сравнению с другими материалами. R это
отношение к идеальному конденсатору с прямоугольной циклической вольтамперограммой.
Это может быть связано со стадией последующего отжига, которая удаляет все
примеси из GO отслаиваются при восстановлении GO до rGO. Сходным образом,
мы видим эквивалентный ответ для GO-HD9А в б-III. В iv мы оцениваем спектры EIS отдельных
материалы. Как видно, постобработка GO демонстрирует более сильное резистивное сопротивление.
поведение из-за проблем, связанных с вертикально ориентированной электропроводностью
фильма. GO-HD9A, rGO-ODA и rGO-HD9A улучшают частоту
поведение MSC в значительной степени за счет их модулированной структурной
ван-дер-ваальсовы связи в алкановых цепях. GO-HD9A не сохраняет
большой заряд, однако показывает самый низкий R _esr среди изготовленных МСК при демонстрации
высочайшая однородность производительности по большому количеству протестированных
МСК в одной партии. Таким образом, выбранные четыре материала имели
уникальные свойства, такие как GO для сильного поведения EDL, GO-HD9A для
однородности, rGO-ODA для улучшения емкости и rGO-HD9A для улучшения
толщина.

Стек MSC представлял собой слой GO-HD9A на
дно улучшить
однородность, за которой следует GO для сильного поведения EDL, за которым следует rGO-ODA
для вертикальной проводимости и rGO-HD9A для более высокого осаждения электродов
и улучшение адгезии на этапах постобработки. Еще одна причина
для конкретного выбора материала стека была получена через EIS
анализ изготовленных МСК. Дизайн стека основан на слое
послойным методом нанесения материала с самой высокой проводимостью
сначала следуют последующие слои, т. е. GO-HD9A > GO > rGO-ODA
> РГО-HD9A. Высокая паразитарная устойчивость предварительно восстановленных МСК может
быть
объясняется наличием аминогрупп и их хвостовыми концами, взаимодействующими
с электролитом EMIM-TFSI, вызывающим более высокое сопротивление переносу заряда. ⁴¹ Выбранные материалы были покрыты методом центрифугирования
послойный процесс в порядке GO-HD9A, GO, rGO-ODA и rGO-HD9A,
снизу вверх. Процесс укладки повторялся пять раз, чтобы
получить сфабрикованный Stack-MSC. Важно отметить, что
укладка была не просто четырьмя слоями с одним материалом на слой,
а смешанный стек с пятью слоями разнородных стеков. показывает электрохимический
производительность Stack-MSC при различных входных сигналах.

Открыть в отдельном окне

Электрохимическая характеристика
Stack-MSC: (а) Циклическая вольтамперометрия
при различных скоростях сканирования и (b) измерение GCD. производительность EIS
Stack-MSC, представленный как (c) Найквиста, (d) Боде с C _{реальным} и ϕ как функции частоты,
и (e) Боде в единицах C _imag в диапазоне рабочих частот. (е) Нормированная емкость
Stack-MSC в течение нескольких циклов заряда-разряда.

В б, ит
можно отметить, что Stack-MSC демонстрирует более длительное время зарядки
при 1 мкА см ^–2 приводит к увеличению кривизны
в цикле НОД. Это показывает, что ток утечки влияет на
скорость зарядки МСК. c показывает график Найквиста MSC как функцию Z _{реального} и − Z _{изображения} , полученного из уравнений 4 и 5 (раздел
S3, характеристика устройства, вспомогательная информация: уравнения для реальной и мнимой емкости). Устройство показывает
эквивалентное последовательное сопротивление ( R _esr ) 1,2 кОм. Это может быть подтверждено падением ИК-излучения.
по измерениям НОД. Сопротивление переносу заряда Stack-MSC
тем больше, чем больше сопротивление переносу каждого материала.
в серийной комбинации. Несмотря на высокое сопротивление, мощность
плотность устройства эквивалентна наблюдаемой плотности мощности
в ГО-МСЦ. Импеданс Варбурга, наблюдаемый по наклонной линии
(после полукруглого сопротивления переноса заряда) указывает на
пористая электродная среда. Реальная емкость ( C _{действительное} ) и фазовый угол (ϕ) из уравнения 7
(Раздел S3, Характеристика устройства, Вспомогательная информация: фазовая характеристика выхода) показаны в d, а C _imag показаны в e. Здесь мы можем видеть, что как
частота увеличивается выше 10 Гц, составляющая C _imag Stack-MSC стремится к нулю, давая
переход к высокорезистивному поведению устройства. Наконец, в f мы видим циклический заряд-разряд
характер Stack-MSC более 3000 циклов зарядки и разрядки
при 5 мкА см ^{– 2} . Как мы видим, устройство демонстрирует
81% от его максимальной емкости при этой удельной плотности тока после
всего 3к циклов. Однако производительность сравнима с несколькими современными
МСК представлены в литературе. ⁴²

производительность Stack-MSC по сравнению с отдельными материалами
MSC, а именно GO-, GO-HD9A-, rGO-ODA- и rGO-HD9A-MSC, показаны на рис. Части а–в
показать
циклические вольтамперограммы спин-покрытых МСК при 20, 50 и 100 мВ
с ^–1 . При зарядке 20 мВ с ^–1
поведение для rGO- и HD9A-MSC кажется квазипрямоугольным в
форма. Однако rGO-ODA- и rGO-HD9A-MSC демонстрируют резистивное поведение.
при сканировании в сторону потенциалов выше 0,5 В. Такое поведение унаследовано
с помощью Stack-MSC. Еще одна интересная особенность заключается в том, что сумма
емкость одноэлектродного материала MSC составляет 361 мкФ см ^–2 , в то время как Stack-MSC показывает площадную емкость
307 мкФ см ^–2 . Небольшая острота может быть
связано с нагрузкой материала на определенные участки на покрытом центрифугированием
вафля. д дальше
поясняет открытие, показывая тенденции для площади емкости
различных изготовленных МСК при увеличении скорости сканирования. При 1000 мВ
с ^–1 , площадная емкость Stack-MSC сравнима
к одноматериальным МСК. e показывает измерения GCD MSCs при 5 мкА см ^–2 . Как видно также из b, Stack-MSC имеет большее R _esr по сравнению с MSC из других материалов. f показывает площадь
емкость МСК при различных плотностях тока. Как видно, при более высоких
плотность тока 10 мкА см ^–2 , емкость
удержание для Stack-MSC составляет около 50% от его первоначальной емкости.
Большое падение поверхностной емкости при более высоких плотностях тока может
объясняется наличием высокой паразитарной резистентности
от внутреннего сопротивления материала. Кроме того, текущий
подается на MSC, рассчитывается с использованием номинального суммарного устройства
площадь 1 см ² . Поскольку фактическая площадь электрода MSC составляет всего
0,11 см ² плотность тока в электроде должна быть
соответственно увеличивается на 2 порядка.

Открыть в отдельном окне

(а–в) Циклические вольтамперограммы
из четырех материалов, GO, GO-HD9A,
rGO-ODA и rGO-HD9A-MSC. по сравнению со Stack-MSC при (а) 20,
(б) 50 и (в) 100 мВ с ^–1 . (d) Сравнение площади
емкость изготовленных МСК в диапазоне скоростей сканирования, (д) ​​хронопотенциометрический
сканирование МСК при 5 мкА см ^–2 и (f) поверхностная емкость
МСК при заряде-разряде при различных плотностях тока.

а показывает
C _{реальный} для МСК вычислено
из уравнения 4 и 5 (Раздел S3, Характеристика устройства, Вспомогательная информация: уравнения для реального и
мнимая емкость) по измерениям EIS. Эта форма Боде
график полезен при оценке слияния емкостных и резистивных
поведение устройства через C _{реальное} тенденции. На частотах выше 100 Гц емкостная
производительность, по-видимому, отслеживает сильные черты rGO-ODA- и rGO-HD9A-MSC. Поведение
Stack-MSC сильно зависит от самого медленного отклика в стеке. б показывает Найквиста
график изготовленных МСК. Здесь мы можем ясно видеть тенденцию ряда
сопротивления материалов в Stack-MSC. Общее сопротивление
отдельных МСК R _esr = 975 Ом, тогда как Stack-MSC имеет R _esr = 1,2 кОм. ГО-ХД9А-, РГО-ОДА-,
и rGO-HD9A-MSC показывают пористую среду электрода с их Найквиста
наклоны больше стремятся к идеальному поведению конденсатора, в то время как
GO-MSC демонстрирует высокое сопротивление переносу заряда. Stack-MSC также
демонстрирует высокое сопротивление переносу заряда, что еще больше укрепляет
вывод о том, что отдельные свойства материала могут быть непосредственно
определение свойств комбинированного стека.

Открыть в отдельном окне

(a) График Боде C _{реальный} от частоты для стека
GO, GO-HD9A, rGO-ODA и rGO-HD9A. (б)
График Найквиста изготовленных МСК. (c) Сравнение объемных
емкость и поверхностная емкость отдельного материала с Stack.
(d) Поверхностная плотность мощности MSC при увеличении плотности тока. (е)
График Рагона энергии и удельной мощности МСК, изготовленных в
текущая рукопись по сравнению с MSC с опубликованным материалом EDLC
в новейшей литературе.

После дальнейшего анализа характеристик материала мы оцениваем
индивидуальная объемная емкость МСК наряду с их площадью
емкостей при 20 мВ с ^–1 дюймов c через информацию о толщине электрода
полученные из измерений профилографом поверхности. Планки погрешностей соответствуют
стандартному отклонению, наблюдаемому при измерении толщины. ИДТИ как
материал демонстрирует самую высокую объемную емкость, за которой следует
rGO-ODA, GO-HD9A, а затем rGO-HD9A. Материал стека показывает
объемная емкость, сравнимая с другими электродами, поэтому он может
предположить, что материал не претерпел каких-либо серьезных преобразований
во время центрифугирования стопки. Средняя объемная емкость
комбинированных материалов составляет 1,7 F см ^–3 по сравнению
к объемной емкости пакета как 2,3 Ф см ^–3 . Обе метрики эквивалентны в пределах измеренного диапазона точности. д показывает мощность
плотность и поверхностная емкость МСК в диапазоне токов
плотности. Материалы MSC индивидуально обеспечивают более высокие
плотности мощности при больших токах, особенно GO-HD9A-, rGO-ODA-,
и rGO-HD9A-MSC. Резистивная природа Stack и GO приводит к
низкая удельная мощность для этих устройств. Наконец, в e мы сравниваем производительность
МСК построены в виде графика, отображающего их индивидуальную энергию,
мощность, плотность емкости и эквивалентное последовательное сопротивление.

На основании нашего анализа результатов электрохимического анализа поверхности
улучшенное изготовление центрифугирования для Stack, GO, GO-HD9A, rGO-ODA,
и rGO-HD9A MSC, мы представляем анализ эквивалентной схемы для
устройства в этом разделе. Обоснование нашего выбора материалов будет
также обсуждаться. Наконец, мы сравним производительность
изготовленные МСК с устройствами в литературе с использованием одного и того же материала
или комбинация различных связанных метаматериалов.

а показывает
спектр Боде EIS C _{реальный} для изготовленных устройств с использованием стандартной схемы замещения
модель элемента постоянной фазы с диффузией (CPE-diff). CPE-diff
модель, предложенная Bisquert et al. ⁴³ есть
считается стандартным справочным инструментом в литературе. Модель
было объяснено в Huang et al. ⁴⁴ по
моделировать отклики импеданса в неупорядоченных средах, таких как толстый rGO
фильмы. ⁴⁵ В этой цепи R _esr показан R _u последовательно с элементом с постоянной фазой параллельно
с комбинацией R _p (сопротивление переноса заряда)
и адмиттанс Варбурга последовательно, где α ₀ равно
переменная, которая представляет электрический отклик, связанный
к пористости. В таблице 1 мы видим результирующие значения параметров при подгонке модели для
различные устройства — Stack, GO, GO-HD9A, rGO-ODA и rGO-HD9A.
МСК. После исследования значений параметров эквивалентной схемы
для МСК мы видим, что результирующая сеть R _u для Стека недалеко от суммы значений составляющих R _u (в пределах 20%). Сходным образом,
стек демонстрирует корреляцию с четырьмя элементами постоянной фазы
последовательно ( Y ₀ ^{α ₀} ). Оба эти фактора подходят
объяснение поведения сложенного электрода. Для
Stack-MSC, W _d выше
что показывает его улучшенное удержание заряда по сравнению с отдельными материалами.
Параметр проводимости Варбурга также отражает низкочастотную характеристику.
где стек показывает более высокое значение емкости. Точно так же R _р для Stack-MSC ниже
чем все MSC, за исключением GO-MSC, еще одно важное соображение для
сохранение заряда за счет более низкого тока утечки. Главный вывод
состоит в том, что Stack-MSC демонстрирует комбинацию емкости для
все материалы на низких частотах, но на это сильно влияет
по поведению материала с наименьшей C _{реальной} емкости, а именно ГО, в данном случае
на высоких частотах. Основное преимущество многослойного изготовления
техника связана с ее универсальностью в отношении осаждения
из разных материалов. Мы протестировали отложение различных
псевдоемкостных электродов методом центрифугирования. Однако во время
наши испытания, центрифугирование таких электродных материалов на подложке
не может экспериментально привести к хорошему выходу пластин. Одна из возможных альтернатив
заключается в том, чтобы смешать их в растворе материала на основе графена.

Открыть в отдельном окне

(a) Эквивалент
схема CPE с диффузионной моделью (Bisquert et al. ⁴³ ). (б) Анализ изготовленных МСК: стек,
GO и rGO-HD9A. В таблице 1 приведены расчетные значения для различных компонентов эквивалентного
схема.

Таблица 1

Эквивалентная цепь
Результаты моделирования
для изготовленных MSC

элемент	Stack	GO	GO-HD9A	RGO-ODA	RGO-HD9A	Error (±)	Units
R u	1221	633	109	28	221	25	Ω
Y 0	0. 4μ	3.7μ	1.3μ	3.2μ	1.7μ	19n	S *  s α
α 0	0.69	0.66	0.82	0.81	0.83	7m	–
W d	17μ	1. 2p	0.82μ	0.71	0.23	0.2μ	S *  s 0.5
R p	27.4k	18,9K	0,7 м	1,9 м	2,9 м	407	ω

Open в отдельном окне

для
процесс изготовления MSC должен быть совместим с изготовлением CMOS,
MSC нуждается в плане процесса, который может быть включен в MEMS или
Технологическая схема CMOS без ущерба для материала или качества конструкции
для других устройств. Принимая во внимание эти ограничения,
МСК, обсуждаемые в этой статье, изготавливаются с использованием обычной фотолитографии,
электронно-лучевое испарение, реактивное ионное травление и низкотемпературное
отжиг. Устройства MEMS и CMOS обычно требуют нескольких УФ-литографий.
этапы их изготовления. План процесса для MSC может быть
включена в любой момент последовательности уровней процесса МЭМС без
требует, чтобы пластины были вывезены из чистого помещения, любые каптоновые
шаг маскирования или использование таких инструментов, как сфокусированный ионный пучок для RIE, для подсчета
несколько общих практик, применяемых при изготовлении MSC в недавней литературе. ⁴⁶ Кроме того, вопрос материального ущерба во время
типичные процессы чистых помещений, такие как проявка фоторезиста и ультразвуковая обработка
было смягчено за счет применения хромовых наночастиц с шероховатой поверхностью, ²¹ , как обсуждалось в нашей предыдущей публикации.

Есть несколько проблем, связанных с совместимостью CMOS MSC
изготовление, которое все еще необходимо решить, прежде чем процесс может быть
быть реализованы для интегрированных систем на кристалле. Во-первых, на основе графена.
материалы часто представляют собой чешуйки с высокой проводимостью, которые могут вызвать нежелательные
короткое замыкание, если они отлетят и прилипнут к другим изготавливаемым устройствам
в процессе FEOL. Включение псевдоемкостных материалов, таких как
как MnO ₂ , V ₂ O ₅ , Co ₃ O ₄ и другие с чернилами на основе графена также потенциально могут
привести к аналогичным проблемам. Поэтому необходимо провести дальнейшую работу
по вопросам, связанным с отслаиванием объемных слоев графена при изготовлении
в условиях низкого давления и высокой температуры. Во-вторых, приложение
Au/Ti в качестве токосъемников не является оптимальным решением из-за совместимости
перспектива. Использование Pd, Pt, Mo, W или Cr в качестве коллекторов тока может
также будут интересны варианты дальнейшей работы, так как эти металлы рассматриваются
КМОП-совместимы, и они демонстрируют высокую проводимость. Однако, когда
мы изготовили МСК, используя Pd/Ti в качестве токосъемников и вертикально
ориентированных углеродных нановолокон в качестве электродного материала, мы наблюдали
снижение емкости прибора в 10 раз и значительное
увеличение сопротивления устройства при использовании H ₂ SO ₄ /ПВА в качестве электролита. ⁴⁷ Наконец, используя
водный или гелевый электролит с изготовлением схемы на КМОП нецелесообразно,
поэтому также необходимо изучить надлежащие упаковочные решения для
такие материалы.

Увеличение количества слоев центрифугирования
приводит к более высокому
толщина. Увеличивая шероховатость поверхности подложки, можно добиться
Электроды с центрифужным покрытием из ВОГ толщиной 1,1 мкм, как обсуждалось в нашем
предыдущая публикация. ²¹ Емкость
из этих устройств составляла 110 мкФ см ^–2 (сопоставимые
до rGO-HD9A в этом исследовании). Эти значения для rGO были достигнуты с использованием
Наночастицы Fe для придания шероховатости поверхности. Наночастицы Fe не
Совместимость с CMOS, так как температура кипения железа чрезвычайно низкая по сравнению с
и, кроме того, Fe является химически активным металлом при контакте с ионными
решения. Поэтому в данном исследовании мы использовали наночастицы Cr.
которые имеют более высокую температуру кипения и более низкую реакционную способность, хотя и с
несколько меньшая шероховатость поверхности. Cr — это материал, который также используется в других
Процедуры изготовления, совместимые с КМОП. ⁴⁸

МСК, изготовленные методом центрифугирования, имеют относительно низкую энергию
плотности из-за использования только материала EDLC. В сравнении
к различным МСК на основе кремния, которые изготавливаются путем жесткого маскирования
метод, Stack-MSC работает сравнительно хорошо. на основе графена
MSC был изготовлен Wu et al. ⁴⁹ использование
перенос графена и жесткая маска токосъемника в качестве электродного осаждения
и процесса травления соответственно. MSC продемонстрировали производительность
80 мкФ см ^–2 с толщиной электрода
15 нм. Точно так же Бейдаги и соавт. объединил rGO с УНТ для производства
МСК за счет транспорта электродной краски в каналах СУ-8.
полученное устройство дало емкость 6,1 мФ см ^–2 в наиболее оптимальной композиции rGO–УНТ. Высокая поверхностная емкость
может быть связано с более толстыми наплавленными электродами. Ли и др. ⁵⁰ показаны встроенные MSC с использованием MnO ₂ в
пористая углеродная смесь. Электродные материалы на основе графена
в сочетании с различными материалами, такими как V ₂ O ₅ , MoS ₂ , УНТ и различные EDLC или псевдоемкостные материалы
для более высоких плотностей энергии. Например, Боруа и др. ²⁴ изготовлен MSC сэндвич-типа с использованием маски
напыление электродов на гибкую подложку. Как обсуждалось
ранее Ян и соавт. ¹⁹ продемонстрировано
стопка MoS ₂ , rGO и CNT, смешанная с фоторезистом (пиролиз
позже) для чрезвычайно высокой плотности энергии посредством центрифугирования. ИДТИ
также используется в сочетании с порошком УНТ в гибких МСК с лазерной разметкой.
для более высоких плотностей энергии, как описано Wen et al. ¹⁵ Лазерное скрайбирование — достойная альтернатива центрифугированию.
покрытие. Однако лазерные разметочные устройства в сочетании с различными
материалы показывают большой R _u из-за мощного разряда лазеров при преобразовании GO в rGO
и травление встречно-штыревых узоров. По сравнению с чисто
псевдоемкостные MSC, изготовленные с помощью процесса, совместимого с CMOS
показано в Si et al., ⁵¹ , мы отмечаем, что EDLC
материалы демонстрируют более высокую плотность энергии и мощности в сложенном
комбинация.

Для будущей работы по совершенствованию MSC псевдоемкостной
материалы
могут быть протестированы на напыление и укладку с использованием чернил на основе оксида графена.
Как обсуждалось ранее, производительность Stack-MSC напоминает поведение
материала с самой низкой удельной мощностью, использование псевдоемкостного материала
необходимо оптимизировать в решении углеродного материала. Более того,
существует потребность в изучении надлежащих методов упаковки для
Совместимость с CMOS для надлежащей герметизации ионных жидкостей. Правильный
выбор электролита является еще одним важным соображением для высоких
производительность MSC. Производительность MSC в устройствах, обсуждаемых в литературе
съемка обычно использует H ₂ SO ₄ /ПВА электролит.
Это водный электролит с небольшими ионами, совместимыми с
микропористые электроды. Ожидается, что использование H ₂ SO ₄ /PVA на Stack-MSC даст емкостные характеристики
быть в 2–3 раза лучше, чем EMIM-TFSI. Однако при использовании любой кислоты
вреден для процесса изготовления КМОП, так как SiO ₂
реагировать на них. Поэтому, чтобы обеспечить совместимость с CMOS, мы
используется ионно-жидкий электролит. Другое направление работы может касаться
внедрение и продвижение твердотельных электролитов с
высокая ионная проводимость.

Итак, мы представили
гетерогенный многослойный многоэлектрод
MSC, совместимый с CMOS с центрифугированием, с четырьмя различными типами EDLC
материал на основе графеновых композитов, оптимизированный для спин-покрытия.
Материалы GO, GO-HD9A, rGO-ODA и rGO-HD9A обнаруживают электрохимические
и качества обработки, такие как высокая емкость, однородность центрифугирования,
и низкий R _esr . У нас есть
продемонстрировал, что индивидуальные характеристики электродов превращаются в
сравнительно высокой плотностью энергии многослойных MSC, имеющих емкость
280 мкФ см ^–2 при сохранении ГО
относительно высокая плотность мощности 0,1 мВт см ^–2 . Следовательно,
мы проверили применимость метода изготовления, который может
использоваться для различных материалов с контролируемыми параметрами центрифугирования
для нанесенного электродного раствора на шероховатую наночастицу Cr
поверхность для улучшения адгезии, однородности и покрытия. надежность
производственного процесса, кроме того, позволяет более стандартизировать
оценка характеристик электродного материала для планарных
твердотельные МСК.

Этот проект получил
финансирование от Европейского Союза
Программа исследований и инноваций Horizon 2020 в рамках Грантового соглашения
№ 101006963 (ГреЭнерджи). Авторы признательны за финансирование
проекты Vinnova, Area of ​​Advance (AoA) MESSIAH и SAAB Hogeffektradar.
Авторы также благодарят Chalmers NanoFabLab за опыт работы с чистыми помещениями.
и доктору Цзиньхуа Суну за его вклад.

Дополнительная информация
доступен бесплатно по адресу https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.1c03745.

Авторы заявляют об отсутствии
конкурирующие финансовые интересы.

ae1c03745_si_001.pdf ^{(277K, pdf)}

• Хертвич Э. Г.; Ру С.
  Выбросы парниковых газов
  от потребления электрической и электронной
  оборудование норвежских домохозяйств. Окружающая среда.
  науч. Технол.
  2011, 45, 8190–8196. 10.1021/es201459c. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Shalf J.
  Будущее
  вычислений за пределами закона Мура. философский
  Труды Королевского общества А
  2020, 378, 201

  . 10.1098/рста.2019.0061. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

• Чжэн С.; Ши Х.; Дас П.; У З.-С.; Бао Х.
  Дорога к плоскости
  микробатареи и микросуперконденсаторы: от двухмерной до трехмерной геометрии устройства. Доп. Матер.
  2019, 31, 1^{3. 10.1002/adma. 2013. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]}
• Ge J.; Фан Л.; Рао А.М.; Чжоу Дж.; Лу Б.
  Поверхностно-замещенный
  Аналоговый катод берлинской лазури для устойчивых калий-ионных аккумуляторов. Экологичность природы
  2021, 1–10. 10.1038/с41893-021-00810-7. [CrossRef] [Google Scholar]
• Zhu Y.; Цуй Ю.; Альшариф Х. Н.
  Безанодная батарея Zn-MnO2. Нано Летт.
  2021, 21, 1446–1453. 10.1021/acs.nanolett.0c04519. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Sun J.; Садд М.; Эденборг П.; Грёнбек Х.; Тизен П. Х.; Ся З.; Кинтано В.; Цю Р.; Матич А.; Палермо В.
  В режиме реального времени
  визуализация обратимого Na+
  интеркаляция в графене âĂIJJanusâİ
  стеки для аккумуляторных батарей. Научные достижения
  2021, 7, eabf0812. 10.1126/sciadv.abf0812. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Вьяс А.; Стааф Х.; Русу С.; Эбефорс Т.; Лильехольм Дж.; Смит А. Д.; Лундгрен П.; Энокссон П.
  Микромеханический спаренный кантилевер
  для пьезоэлектрических сборщиков энергии. Микромашины
  2018, 9, 252. 10.3390/mi

  52. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

• Vullers R.; ван Шайк Р.; Домс И.; Ван Хоф К.; Мертенс Р.
  Микроэнергетика
  сбор энергии. Твердотельный электрон.
  2009, 53, 684–693. 10.1016/j.sse.2008.12.011. [CrossRef] [Google Scholar]
• Грин М. А.
  Кремний
  фотоэлектрические модули: краткая история первых 50 лет. Прогресс в фотовольтаике: исследования и приложения
  2005, 13, 447–455. 10.1002/стр.612. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]
• Тодаро М. Т.; Гвидо Ф.; Мастронарди В.; Десмаэль Д.; Епифани Г.; Алгиери Л.; Де Витторио М.
  Пьезоэлектрический
  Энергия колебаний МЭМС
  комбайны: достижения и перспективы. Микроэлектрон.
  англ.
  2017, 183, 23–36. 10.1016/j.mee.2017.10.005. [CrossRef] [Google Scholar]
• Хамид Х. А.; Челик-Батлер З.
  Новый трибоэлектрический сборщик энергии и датчик МЭМС
  с высокой рабочей частотой колебаний и широкой полосой пропускания.
  методом УФ-ЛИГА. Датчики и приводы
  А: физический
  2020, 313, 112175. 10.1016/j.sna.2020.112175. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]
• Смит А.; Ли К.; Вяс А.; Хак М.М.; Ван К.; Веласко А.; Чжан С.; Тураккал С.; Кельмальц А .; Никлаус Ф.; и другие. Углеродный
  электродные материалы для микросуперконденсаторов
  в сенсорных сетях с автономным питанием: настоящее и будущее развитие. Датчики
  2019, 19, 4231. 10.3390/s131. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Sze S.M.; Ли Ю.; Нг К.К.. Физика
  полупроводниковых приборов; Джон Уайли и
  Сыновья: 2021. [Google Scholar]
• Вьяс А.; Ван К.; Ли К.; Салим А.М.; Билунд М.; Андерссон Р.; Десмарис В.; Смит А.; Лундгрен П.; Энокссон П.
  Влияние геометрии и толщины электрода на плоскость
  встроенные микросуперконденсаторы. RSC Adv.
  2020, 10, 31435–31441. 10.1039/D0RA05488G. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Wen F.; Хао С.; Сян Дж.; Ван Л.; Хоу Х.; Су З.; Ху В.; Лю З.
  Усовершенствованный гибкий микросуперконденсатор на основе графена с лазерной разметкой
  производительность при уменьшении диаметра углеродных нанотрубок. Углерод
  2014, 75, 236–243. 10.1016/j.carbon.2014.03.058. [CrossRef] [Google Scholar]
• Сингх М.; Хаверинен Х.М.; Дхагат П.; Джаббур Г. Э.
  Струйный
  процесс печати
  и его приложения. Современные материалы
  2010, 22, 673–685. 10.1002/адма.200^{1. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]}
• Ву З.-С.; Тан Ю.-З.; Чжэн С.; Ван С.; Парвез К.; Цинь Дж.; Ши Х.; Сан С .; Бао X .; Фэн Х .; и другие. Изготовление снизу вверх
  легированных серой графеновых пленок, полученных из
  аннелированный серой нанографен для сверхвысокой объемной емкости
  микросуперконденсаторы. Варенье. хим. соц.
  2017, 139, 4506–4512. 10.1021/jacs.7b00805. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Ву З.-С.; Парвез К.; Винтер А.; Викер Х.; Лю Х.; Хан С.; Турчанин А.; Фэн Х .; Мюллен К.
  Слой за слоем
  собранные легированные гетероатомами графеновые пленки со сверхвысоким объемным
  Емкость и скорость работы микросуперконденсаторов. Доп. Матер.
  2014, 26, 4552–4558. 10.1002/адма.201401228. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]
• Ян В. ; Он Л.; Тянь X .; Ян М.; Юань Х .; Ляо X .; Мэн Дж.; Хао З.; Почта.
  Переменный на основе углерода-МЭМС
  многослойный микросуперконденсатор MoS2@ rGO-CNT с высокой емкостью и
  плотность энергии. Маленький
  2017, 13, 1700639. 10.1002/смл.201700639. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Вьяс А.; Ли К.; Корналья Ф.; Ван К.; Андерсон А.; Хак М.; Кузьменко В.; Смит А.; Лундгрен П.; Энокссон П.
  Придание шероховатости поверхности
  с наночастицами железа для ускоренной адгезии микросуперконденсатора с центрифужным покрытием
  Электроды. миссис авансы
  2019, 4, 1335–1340. 10.1557/adv.2019.5. [CrossRef] [Google Scholar]
• Вьяс А.; Ван К.; Андерсон А.; Веласко А.; ван ден
  Экхудт Р.; Хак М.М.; Ли К.; Смит А.; Лундгрен П.; Энокссон П.
  Улучшенное осаждение электродов для
  Встроенные микросуперконденсаторы с контролируемой шероховатостью поверхности. САУ омега
  2020, 5, 5219–5228. 10.1021/acsomega.9b04266. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Zhao J.; Ши К. ; Го Ю.; Ван Х.; Ван Д.; Тан Ф.; Цзян Л.; Ю Ю.
  Флэш-пена
  штампованное изготовление
  гибких плоскостных графеновых интегрированных микросуперконденсаторов на
  бумага. J. Источники питания
  2019, 433, 226703. 10.1016/j.jpowsour.2019.226703. [CrossRef] [Google Scholar]
• Ким С.-В.; Кан К.-Н.; Мин Ж.-В.; Джанг Дж.-Х.
  с помощью плоттера
  интеграция носимых полностью твердотельных микросуперконденсаторов. Нано Энергия
  2018, 50, 410–416. 10.1016/ж.наноен.2018.05.051. [CrossRef] [Google Scholar]
• Боруа Б. Д.; Нанди С.; Мишра А.
  Послойная сборка
  восстановленный графен
  оксидные и оксидно-ванадиевые гетероструктурные электроды суперконденсаторов
  с большей площадью поверхности для эффективного накопления энергии. Прикладные энергетические материалы ACS
  2018, 1, 1567–1574. 10.1021/acsaem.7b00358. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]
• Гёлерт Т.; Сайлс П.Ф.; Паслер Т .; Соммер Р.; Баунак С.; Освальд С .; Шмидт О. Г.
  Очень тонкий
  полностью твердотельные микросуперконденсаторы
  с исключительной производительностью и гибкостью устройства. Нано Энергия
  2017, 33, 387–392. 10.1016/ж.наноен.2017.01.054. [CrossRef] [Google Scholar]
• Голами
  Лаэлабади К.; Морадян Р.; Манучехри И.
  Изготовление в один шаг
  гибкого, экономичного и экономичного хранилища высокой энергии
  Оксид графена@ Суперконденсатор PANI. Применяется СКУД
  Энергетические материалы
  2020, 3, 5301–5312. 10.1021/acsaem.0c00317. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]
• Печ Д.; Брюнет М.; Дуру Х.; Хуан П.; Мочалин В.; Гогоци Ю.; Таберна П.-Л.; Саймон П.
  Сверхвысокая мощность микрометрового размера
  суперконденсаторы на основе луковичного углерода. Природа Нанотехнологии.
  2010, 5, 651–654. 10.1038/ннано.2010.162. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Чмиола Дж.; Ларго С.; Таберна П.-Л.; Саймон П.; Гогоци Ю.
  Монолитный
  Карбидные углеродные пленки для микросуперконденсаторов. наука
  2010, 328, 480–483. 10.1126/научн.1184126. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]
• Чжан Л.; ДеАрмонд Д.; Альварес Н.Т.; Малик Р.; Ослин Н.; МакКоннелл С.; Адусей П. К.; Се Ю.-Ю.; Шанов В.
  Гибкий микросуперконденсатор
  на основе графена с трехмерной структурой. Маленький
  2017, 13, 1603114. 10.1002/смл.201603114. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Lu Y.; Чжэн Ю.; Чжан Х .; Он Х.; Ян К.; Ву Дж.
  Высокая производительность и гибкость в плоскости
  асимметричный микросуперконденсатор
  (MSC), изготовленный из функционального электрохимически расслоенного графена. Дж. Электроанал. хим.
  2020, 866, 114169. 10.1016/j.jelechem.2020.114169. [CrossRef] [Google Scholar]
• Сюн Г.; Мэн С.; Райфенбергер Р.Г.; Иразоки П.П.; Фишер Т. С.
  Обзор
  электрохимических микросуперконденсаторов на основе графена. Электроанализ
  2014, 26, 30–51. 10.1002/элан.201300238. [CrossRef] [Google Scholar]
• Ли С. Х.; Ли Дж.; Юнг Дж.; Чо А.Р.; Чон Дж. Р.; Данг
  Ван С .; Нах Дж .; Ли М. Х.
  Улучшенные электрохимические характеристики
  микросуперконденсаторов с помощью нанесенного лазером кобальта/восстановленного графена
  Оксидные гибриды. Приложение ACS Матер. Интерфейсы
  2021, 13, 18821–18828. 10.1021/acsami.1c02102. [PubMed] [CrossRef] [Академия Google]
• Хуанг К.; и другие. Лазерный принтер с рисунком
  пожертвованный слой для произвольного дизайна и
  масштабируемое изготовление полностью твердотельных встречно-штыревых планарных
  гибкие микросуперконденсаторы на основе водного оксида рутения. J. Источники питания
  2019, 417, 108–116. 10.1016/j.jpowsour.2019.02.016. [CrossRef] [Google Scholar]
• Чжан Л.; Лю Л.; Лю С .; Ли Х.; Лю Ф.; Чжао В.; Ван С.; Ву Ф.; Чжан Г.
  Фотолитографическое изготовление
  полностью твердотельных планарных микросуперконденсаторов на основе графена
  со сверхвысокими мощностными характеристиками. Дж. Заявл.
  физ.
  2019, 126, 164308. 10.1063/1.5109691. [CrossRef] [Google Scholar]
• Сюй С.; Лю В.; Центр.; Ван Х.
  Схемно-интегрируемый высокочастотный
  микросуперконденсаторы с демонстрацией фильтра/генератора. Нано Энергия
  2019, 58, 803–810. 10.1016/ж.наноен.2019.01.079. [CrossRef] [Google Scholar]
• Чжан С.; Пэн З .; Хуанг С .; Чжан Б. ; Син С.; Чен Х .; Ченг Х .; Ван Дж.; Тан С.
  Высокая энергия
  универсальные растягиваемые массивы микросуперконденсаторов на основе трехмерного лазерного индуцирования
  графеновые пены, украшенные мезопористыми нанолистами ZnP, для автономного питания
  растяжимые системы. Нано Энергия
  2021, 81, 105609. 10.1016/j.nanoen.2020.105609. [CrossRef] [Google Scholar]
• Ян Ю.; Он Л.; Тан С.; Ху П.; Хун Х .; Ян М.; Донг Ю.; Тянь X .; Вэй К.; Почта.
  Улучшенная проводимость
  и емкость встречно-штыревых углеродных микроэлектродов за счет интеграции
  с углеродными нанотрубками для микросуперконденсаторов. Нано Исследования
  2016, 9, 2510–2519. 10.1007/s12274-016-1137-3. [CrossRef] [Google Scholar]
• Смит А.; Ли К.; Андерсон А.; Вяс А.; Кузьменко В.; Хак М.; Стааф Л.; Лундгрен П.; Энокссон П.
  Совместимость с CMOS
  изготовление микросуперконденсаторов на основе углерода для Интернета вещей в масштабе пластины. Журнал физики: серия конференций
  2018, 1052, 012143. 10.1088/1742-6596/1052/1/012143. [CrossRef] [Google Scholar]
• Mendez-Romero UA; Перес-Гарсия С.А.; Сюй С.; Ван Э.; Лисеа-Хименес Л.
  Функциональный уменьшенный
  оксид графена с настраиваемым
  ширина запрещенной зоны и хорошая растворимость в органических растворителях. Углерод
  2019, 146, 491–502. 10.1016/j.carbon.2019.02.023. [CrossRef] [Google Scholar]
• Renteria J.D.; Рамирес С.; Малекпур Х.; Алонсо Б.; Сентено А.; Зурутуза А.; Косемасов А. И.; Ника Д. Л.; Баландин А. А.
  Сильно
  анизотропная теплопроводность отдельно стоящего восстановленного графена
  оксидные пленки, отожженные при высокой температуре. Доп.
  Функц. Матер.
  2015, 25, 4664–4672. 10.1002/адфм.201501429. [CrossRef] [Google Scholar]
• Гилан Дж.; Мартин П.; Рандриамахазака Х.; Лакруа Ж.-К.
  Электрохимический
  окисление первичного амина в ионных жидких средах: образование органических
  слой, прикрепленный к поверхности электрода. Электрохимия
  связь
  2010, 12, 246–249. 10.1016/j.elecom.2009.12.005. [CrossRef] [Google Scholar]
• Лян Дж. ; Мондал А.К.; Ван Д.-В.; Якопи Ф.
  на основе графена
  Планарный
  Микросуперконденсаторы: последние достижения и задачи на будущее. Передовые технологии материалов
  2019, 4, 1800200. 10.1002/адмт.201800200. [CrossRef] [Google Scholar]
• Bisquert J.; Гарсия-Бельмонте Г.; Буэно П.; Лонго Э.; Булхоес Л. О. С.
  Импеданс
  диффузии элементов с постоянной фазой (CPE) в пленочных электродах. Дж. Электроанал. хим.
  1998, 452, 229–234. 10.1016/С0022-0728(98)00115-6. [CrossRef] [Google Scholar]
• Huang J.; Гао Ю.; Луо Дж .; Ван С.; Ли С .; Чен С.; Чжан Дж.
  Обзор – характеристика импеданса
  пористых электродов: теоретические
  Фреймворк, физические модели и приложения. Дж. Электрохим. соц.
  2020, 167, 166503. 10.1149/1945-7111/abc655. [CrossRef] [Google Scholar]
• Ким Х.-Дж.; Ким Д.; Юнг С.; Йи С.Н.; Юн Ю.Дж.; Чанг С.К.; Ха Д. Х.
  Перенос заряда в толстой пленке восстановленного оксида графена. Дж. Физ. хим. С
  2015, 119, 28685–28690. 10.1021/acs.jpcc.5b10734. [CrossRef] [Google Scholar]
• Ван Ю. ; Чжао Ю.; Ку Л.
  Лазерное изготовление
  функциональные микросуперконденсаторы. Журнал
  Энергетическая химия
  2021, 59, 642–665. 10.1016/j.jechem.2020.12.002. [CrossRef] [Google Scholar]
• Вьяс А.; Корналья Ф.; Раттанасаватесун Т.; Ли К.; Хак М.; Сан Дж.; Кузьменко В.; Смит А.; Лундгрен П.; Энокссон П.
  Расследование
  палладиевых токосъемников для вертикальных микросуперконденсаторов на основе графена. Журнал физики: серия конференций
  2019, 1319, 012007. 10.1088/1742-6596/1319/1/012007. [CrossRef] [Google Scholar]
• Ким М.; Сайя Р.
  Mo/Cr Металлизация
  для соединения кремниевых устройств. Мисс онлайн
  Библиотека трудов (OPL)
  1986, 71, 325. 10.1557/ПРОК-71-325. [CrossRef] [Google Scholar]
• Ву З.-С.; Парвез К.; Фэн Х .; Мюллен К.
  на основе графена
  плоскостные микросуперконденсаторы с высокой мощностью и плотностью энергии. Нац. коммун.
  2013, 4, 1–8. 10.1038/ncomms3487. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]
• Ли С.; Ван Х.; Шен С.
  Встроенные суперконденсаторы с высокой плотностью энергии
  с использованием пористого углерода прямого прототипирования, декорированного диоксидом марганца
  электроды. 2014 27-я международная конференция IEEE
  по микроэлектромеханическим системам (MEMS)
  2014, 405–408. 10.1109/MEMSYS.2014.6765662. [CrossRef] [Google Scholar]
• Si W.; Ян С .; Чен Ю.; Освальд С .; Хан Л.; Шмидт О. Г.
  На чипе,
  все твердотельные и гибкие микросуперконденсаторы с высокой производительностью
  на основе MnO _x / Au многослойные. Энергетическая среда. науч.
  2013, 6, 3218–3223. 10.1039/c3ee41286e. [CrossRef] [Академия Google]

Очень гибкий и прозрачный электрод из нанопроволоки Ag, инкапсулированный ультратонким Al2O3: термическая, атмосферная и механическая стабильность

• Список журналов
• Научные отчеты
• PMC5269670

науч. респ. 2017; 7: 41336.

Published online 2017 Jan 27. doi: 10.1038/srep41336

, ^{1, *} , ^{2, *} , ^{2, 3} , ³ , ¹ , ^{2, 4} и ^{a, 2}

Информация об авторе Примечания к статье Информация об авторских правах и лицензии Отказ от ответственности

Дополнительные материалы

В индустрии гибкой электроники растет спрос на высокопрочные гибкие/прозрачные проводники, способные выдерживать высокие температуры и агрессивные среды. В этой работе продемонстрирована выдающаяся термическая и атмосферная стабильность высокопрозрачного электрода из нанопроволоки Ag с низким удельным электрическим сопротивлением путем инкапсуляции его ультратонкой пленкой Al ₂ O ₃ (около 5,3 нм) с помощью низкотемпературной обработки. (100 °C) атомно-слоевое осаждение. Аль ₂ O ₃ -инкапсулированные электроды из нанопроволоки Ag (Al ₂ O ₃ /Ag) стабильны даже после отжига при 380 °C в течение 100 мин и сохраняют свои электрические и оптические свойства. Инкапсулирующий слой Al ₂ O ₃ также эффективно блокирует проникновение молекул H ₂ O и, таким образом, повышает устойчивость к окружающей среде до более чем 1080 ч в атмосфере с относительной влажностью 85% при 85°C. Результаты испытаний на циклический изгиб до 500 000 циклов (при эффективной деформации 2,5%) подтверждают, что Al ₂ O ₃ /Ag Электрод из нанопроволоки имеет более высокую механическую надежность, чем обычный пленочный электрод из оксида индия и олова. Более того, инкапсуляция Al ₂ O ₃ значительно повышает механическую прочность электрода из нанопроволоки Ag, что подтверждается проведением испытаний на протирание изопропиловым спиртом.

В связи с растущим спросом на гибкую/растяжимую электронику большие усилия были направлены на разработку прозрачных проводников с низким сопротивлением и высокой гибкостью, способных выдерживать внешние воздействия, такие как высокие температуры и коррозионная среда ^{1 ,2 ,3 ,4 ,5 ,6} . Среди многих возможных кандидатов на замену традиционного электрода из оксида индия и олова (ITO), который имеет ряд ограничений, а именно хрупкость и высокую стоимость обработки ^{7 ,8} , электроды на основе нанопроволоки Ag являются наиболее перспективными из-за низкое поверхностное сопротивление, высокая гибкость/растяжимость в сочетании с высоким коэффициентом пропускания света в видимом диапазоне ^{9 ,10 ,11 ,12 ,13} . Однако основным недостатком является его плохая термическая и атмосферная стабильность, демонстрируемая явлением агломерации при гораздо более низкой температуре (~ 200   ° C), чем его точка плавления, и быстрым окислением при воздействии влажного воздуха ^{1 ,6 , 10} . Поскольку электрод из нанопроволок Ag может испытывать термические и окислительные нагрузки в процессе постпроизводственной обработки, а также в процессе эксплуатации, остро необходима разработка высоконадежных прозрачных электродов из нанопроволок Ag с улучшенной термической и атмосферной стойкостью.

Для решения проблем, связанных с температурной стабильностью и устойчивостью к окружающей среде, в нескольких исследованиях было предложено инкапсулировать электрод из нанопроволоки из серебра материалом с высокой температурой плавления ^,16 . Например, Песня и др. . использовали нанесенную золь-гель пленку TiO ₂ в качестве покрывающего слоя ¹ , а Ким и др. . представила сэндвич-подобную структуру, в которой электрод из нанопроволоки Ag располагался между двумя напыленными слоями ZnO ³ . Недавно несколько исследовательских групп внедрили процесс низкотемпературного атомно-слоевого осаждения (ALD) для покрытия конформных инкапсулирующих слоев, таких как ZnO и Al ₂ O ₃ , на нанопроволоках Ag ^{14 ,15 , 16} . Хотя эти предыдущие работы являются значительными, термостабильность (до 300 °C), заявленная для нанопроволок Ag с покрытием, недостаточна применительно к типичному процессу производства устройств, такому как производство низкотемпературного поликремния, который требует термостойкости, чтобы выдерживать температуры. более 350 °C и высокой устойчивостью к окружающей среде, чтобы быть стабильным в течение более 500  часов во влажном воздухе ^{17 ,18} . Более того, окружающая среда и механическая устойчивость электродов на основе серебряных нанопроволок не были тщательно проанализированы или подробно обсуждены, чтобы подтвердить использование электродов на основе серебряных нанопроволок в практических электронных приложениях. Для предыдущего подхода с использованием инкапсулирующего слоя Al ₂ O ₃ было продемонстрировано только успешное покрытие методом АСО при низкой температуре (50 °C) без характеристики термической, окружающей среды и механической стабильности электродов из нанопроволоки из серебра ¹⁴ .

В настоящей работе мы приводим подробные результаты характеризации высокопрочного прозрачного электрода из нанопроволоки из серебра, инкапсулированного с использованием ультратонкого слоя из нанопроволоки Al ₂ O ₃ (электрод из нанопроволоки Al ₂ O ₃ /Ag), изготовленного простой низкотемпературный процесс ALD с особым вниманием к его термической, окружающей и механической стабильности. Более подробное сравнение с предыдущими работами можно найти в таблице S1 (вспомогательная информация). Выяснилось, что Al ₂ O ₃ Электрод из нанопроволоки /Ag выдерживал высокие температуры до 380 °C и был устойчив к окислительному стрессу более 1000 ч во влажном воздухе (температура 85 °C и относительная влажность 85% ). Кроме того, электрод из нанопроволоки Al ₂ O ₃ /Ag также был механически прочным и стабильным в условиях тяжелых испытаний на усталость при изгибе и испытаний на протирание с использованием изопропилового спирта (IPA), что демонстрирует его применимость в гибких и растяжимых электронных устройствах, подвергающихся жестким нагрузкам. Условия изготовления или эксплуатации.

Оптические и электрические свойства

Электроды из нанопроволоки из серебра с превосходными оптическими и электрическими свойствами были изготовлены с использованием простого и экономичного метода ракельных лезвий. Как показано на рисунке, коэффициент пропускания, мутность и поверхностное сопротивление электродов из нанопроволоки Ag с исходным покрытием на стеклянной подложке составляли 90 ± 3 %, 1,3 ± 0,2 % и 50 ± 3 Ом/кв. соответственно. Эти значения сравнимы со значениями для тонких пленок напыленного оксида индия-олова (ITO), которые обычно используются в качестве прозрачных электродов 9.0018 9 ^,10 . Даже после инкапсулирования слоем ALD-Al ₂ O ₃ электрод из нанопроволоки Ag сохранил свои хорошие оптические и электрические свойства с минимальным изменением (<2%) коэффициента пропускания, мутности и поверхностного сопротивления. Это указывает на то, что покрытие Al ₂ O ₃ , выполненное при низкой температуре ALD 100 °C, не оказало существенного влияния на оптические/электрические свойства самой нанопроволоки Ag, а также границы раздела между двумя материалами. Кроме того, сверхмалая толщина ALD-Al ₂ O ₃ (~5,3 нм; толщина была проверена по изображениям просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), как показано на рисунке S1 во вспомогательной информации) отвечал за высокое оптическое пропускание, полученное вместе с высокой проводимостью.

Открыть в отдельном окне

Изменения ( a ) оптического пропускания/мутности и ( b ) поверхностного сопротивления электродов из нанопроволок Ag и Al ₂ O ₃ /Ag в зависимости от отжига температура. Время отжига 20 мин.

Термическая стабильность

Для оценки термостойкости электроды из нанопроволок Ag с инкапсулирующим слоем Al ₂ O ₃ и без него были отожжены на воздухе при различных температурах до 380 °C в течение 20 мин. показаны изменения коэффициента пропускания, мутности и поверхностного сопротивления электродов из нанопроволоки без покрытия Ag и Al ₂ O ₃ /Ag на стеклянных подложках после отжига при различных температурах. Оба электрода были стабильны до 200 °C без ухудшения оптических свойств и потери проводимости. Однако при дальнейшем повышении температуры отжига оптические и электрические свойства электрода из неизолированной серебряной нанопроволоки значительно ухудшались. После отжига при 380 °С коэффициент пропускания уменьшился с 9с 0,7% до 85,0%, а мутность увеличилась с 1,24% до 7,29%; значение поверхностного сопротивления не сообщается, так как оно было выше, чем диапазон измерения нашего оборудования. Напротив, электрод из нанопроволоки Al ₂ O ₃ /Ag показал незначительное изменение как оптических, так и электрических свойств после отжига при 380 °C в течение 20 мин. Кроме того, этот электрод также имел высокое оптическое пропускание и электрическую проводимость и показал изменение менее чем на 1% даже после отжига при 380 °C в течение более 100 мин, как показано на рис.

Открыть в отдельном окне

Изменения ( a ) оптического пропускания/мутности и ( b ) поверхностного сопротивления электрода из нанопроволоки Al ₂ O ₃ /Ag после отжига при 380 °C в качестве функция времени отжига.

Приведенные выше результаты показывают, что улучшение термостабильности нанопроволок Ag связано с ультратонким покрытием Al ₂ O ₃ . Al ₂ O ₃ имеет высокую температуру плавления (2070 °C) ¹⁹ и даже наноразмерный оксид алюминия может выдерживать высокие температуры отжига ^{20 ,21} . Кроме того, сообщалось, что триметилалюминий (ТМА), предшественник ALD-Al ₂ O ₃ , сильно адсорбируется на Ag, что приводит к конформной инкапсуляции Al ₂ O ₃ нанопроволок Ag ^{22 , 23} . Поскольку поверхностная диффузия атомов в нанопроволоке ускорена из-за высокого отношения поверхности к объему, нанопроволока Ag становится неустойчивой при термическом напряжении даже при температурах, намного более низких, чем температура плавления объемного Ag ^{10 ,24} . Однако инкапсуляция ультратонким слоем Al ₂ O ₃ эффективно подавляет поверхностную диффузию атомов Ag, тем самым повышая термическую стабильность нанопроволок Ag.

Для дальнейшего изучения происхождения улучшенной термической стабильности были получены изображения с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) электродов из нанопроволоки из серебра и алюминия, отожженных при различных температурах; они представлены в . СЭМ-изображения соответствовали измеренным изменениям как электрических, так и оптических свойств при различных температурах отжига (). Было установлено, что увеличение поверхностного сопротивления голой нанопроволоки Ag после отжига при температурах >200 °C связано с потерей связи между нанопроволоками, как показано на рис. Эта потеря связности значительно увеличивалась по мере дальнейшего повышения температуры отжига до 380 °C, когда большая часть нанопроволок Ag агломерировалась в шар, а изображение СЭМ показывало только дисперсные частицы Ag. Увеличение количества частиц Ag может усиливать рассеяние света их отражающими поверхностями, что приводит к резкому увеличению матовости электрода из нанопроволоки Ag без покрытия при отжиге при температурах >250 °C. С другой стороны, Al ₂ O ₃ /Ag нанопроволочный электрод не показал такого разрыва контактов или скручивания нанопроволок в клубки даже после отжига при 380 °C, как показано на рис. Повышенная термическая стабильность обусловлена ​​конформным покрытием ALD-Al ₂ O ₃ на нанопроволоках Ag. Хотя некоторое количество полимерных остатков чернил из Ag-нанопроволоки осталось под Ag-нанопроволокой, анализы SEM (вставка) и TEM (рисунок S1 во вспомогательной информации) подтвердили, что ультратонкий Al ₂ O ₃ защитная пленка бесшовно покрывала нанопроволоку Ag и стеклянную подложку. Таким образом, подтверждено, что инкапсуляция ультратонким слоем Al ₂ O ₃ успешно предотвращает термическое разрушение нанопроволок Ag даже при отжиге при достаточно высокой температуре (380 °C) в течение значительного времени (100 мин ). Принимая во внимание фактические производственные процессы для дисплеев и электроники, включающие этап последующего отжига транзисторов, когда устройства подвергаются воздействию высоких температур в течение относительно длительных периодов времени (обычно> 1  ч), ожидается, что Al ₂ O ₃ /Ag Электрод из нанопроволоки может успешно использоваться в качестве прозрачного электрода ввиду его высокой термостойкости.

Открыть в отдельном окне

СЭМ-изображения ( a – c ) без покрытия Ag и ( d – f ) Al ₂ O _{3 3 2 O 3 3 при разных температурах. Вставка ( d ) представляет собой наклонное СЭМ-изображение, показывающее конформное покрытие ультратонкого ALD-Al 9.0172 2 O 3 слой на одной нанопроволоке Ag.}

Устойчивость к окружающей среде

Нанопроволока Ag легко окисляется при воздействии влажного воздуха из-за большого отношения поверхности к объему, что вызывает значительное ухудшение ее электропроводности ^{2 ,25} . Однако инкапсулирующий слой Al ₂ O ₃ из-за его низкой проницаемости H ₂ O ^{26 ,27} может предотвратить контакт молекул H ₂ O, присутствующих в окружающем воздухе, с внедренным Ag. нанопроволока. Чтобы оценить устойчивость к окружающей среде, чистые Ag и Al ₂ O ₃ /Ag нанопроволочные электроды на стеклянных подложках подвергались воздействию воздуха с постоянной относительной влажностью 85% при 85 °C в течение 1080 ч. показано изменение поверхностного сопротивления обоих электродов из нанопроволоки до и после воздействия влажного воздуха. Поверхностное сопротивление электрода из неизолированной нанопроволоки из серебра резко увеличилось с 49,2 до 179,1 Ом/кв. после воздействия влажного воздуха в течение 1080 часов, что может быть связано с уменьшением площади поперечного сечения нанопроволок Ag после окисления поверхности ² . Напротив, не наблюдалось увеличения поверхностного сопротивления даже после непрерывного воздействия влажного воздуха в течение 1080 ч, что подтверждает, что нанопроволоки Ag были хорошо защищены от поверхностного окисления конформным инкапсулирующим слоем Al ₂ O ₃ даже при толщина этого слоя очень мала (~5,3 нм).

Открыть в отдельном окне

Поверхностные сопротивления электродов из нанопроволок Ag и Al ₂ O ₃ /Ag до и после воздействия условий окружающей среды с относительной влажностью 85% при 85 °C в течение 1080 ч.

Механическая стабильность

Ввиду своей сетчатой ​​структуры, которая придает ему выгодную геометрию и ограниченную дислокационную активность в наноразмерном объеме, известно, что электрод из нанопроволоки Ag демонстрирует превосходную механическую надежность при воздействии внешнего напряжения изгиба ^{28 ,29} . Сетевая структура нанопроволок может выдерживать приложенное напряжение изгиба без сильного натяжения отдельных нанопроволок, тем самым повышая механическую надежность при нагрузке на изгиб ^{28 ,29} . Кроме того, отсутствие активности дислокаций в наноразмерном объеме из-за эффекта голодания дислокаций может укрепить нанопроволоку и предотвратить накопление дислокаций внутри нанопроволоки ^{30 ,31 ,32} , что приводит к отличной механической прочности. надежность Ag нанопроволоки.

Чтобы изучить влияние инкапсуляции Al ₂ O ₃ на механическую надежность электрода из нанопроволоки Ag, было проведено испытание на циклический изгиб с использованием тестера на усталость при изгибе. Прибор для испытаний на усталость при изгибе способен выдерживать напряжение изгиба в течение более 500 000 циклов, в то время как in situ мониторинг изменения сопротивления образца ^{28 ,33} . Введенная деформация изгиба для испытания была установлена ​​на уровне 2,5%, что соответствует радиусу изгиба 2,5 мм для заданной толщины подложки 125 мкм. показывает частичное изменение сопротивления электродов из нанопроволоки Ag с инкапсуляцией Al ₂ O ₃ и без нее по сравнению с электродом из ITO (с толщиной ~ 100 нм и поверхностным сопротивлением ~ 50 Ом / кв. ), в зависимости от количества циклов изгиба. Все электроды были изготовлены на гибких подложках из полиэтилентерефталата (ПЭТФ). Результат испытания на циклический изгиб показывает, что Ag и Al ₂ O ₃ /Ag Электроды из нанопроволоки имеют превосходную механическую надежность по сравнению с обычным электродом ITO. В то время как относительное сопротивление электрода ITO резко увеличилось, максимальное увеличение в течение 500 000 циклов изгиба для электрода из нанопроволоки Al ₂ O ₃ /Ag составило всего 15,9%, как показано на рис. Ультратонкий и конформный характер герметизирующего слоя Al ₂ O ₃ , обеспечиваемый методом ALD, дает ему возможность выдерживать большую деформацию при изгибе, тем самым делая Al ₂ O ₃ /Ag Электрод из нанопроволоки более гибкий.

Открыть в отдельном окне

( a ) Изменение удельного сопротивления электродов из нанопроволок Ag и Al ₂ O ₃ /Ag при прилагаемой деформации 2,5% в зависимости от количества циклов изгиба: до ( a ) 1200 и ( b ) 500 000 циклов. Соответствующее значение для эталонного образца ITO также включено в ( a ).

Между тем было замечено, что механическая надежность Al ₂ O ₃ /Ag электрод из нанопроволоки несколько уступал электроду из неизолированной Ag нанопроволоки, который показал более низкое максимальное значение увеличения относительного сопротивления на ранней стадии испытания на циклический изгиб, как показано на рис. Во время изгиба электрода из нанопроволоки Al ₂ O ₃ /Ag трещины могут инициироваться и распространяться от инкапсулирующего слоя Al ₂ O ₃ из-за хрупкости Al ₂ O ₃ слой. Начиная с Аль ₂ O ₃ прочно связан с нанопроволокой, распространение трещины в оксидном слое может увеличивать интенсивность разрушения встроенных нанопроволок при циклическом изгибе. Следовательно, ожидается, что увеличение относительного сопротивления нанопроволоки Al ₂ O ₃ /Ag будет несколько выше, чем у неизолированного электрода нанопроволоки Ag. Несмотря на это, электрод из нанопроволоки Al ₂ O ₃ /Ag по-прежнему обладает превосходной механической надежностью, показывая увеличение сопротивления только на 8,3% в конце испытания на изгиб в 500 000 циклов, и поэтому подходит для высоконадежных гибких/растяжимых приложений.

Долговечность: испытание на механическое протирание с использованием изопропилового спирта

В процессе производства дисплеев и электронных устройств на электродах могут возникать различные типы внешних повреждений, например, царапины или отслоения в результате неблагоприятных условий обработки. Следовательно, прозрачный/гибкий электрод должен быть очень прочным и выдерживать внешние повреждения, чтобы обеспечить изготовление высоконадежных устройств ^{34 ,35} . Испытание на механическое протирание с использованием изопропилового спирта было проведено как на чистом Ag, так и на Al 9.0172 2 O ₃ /Ag нанопроволочные электроды на стеклянных подложках для оценки их долговечности. Тест состоял из пятикратного протирания электродов с измерением оптических и электрических свойств после каждого протирания. представлены изображения оптической микроскопии обоих электродов из нанопроволоки Ag до и после теста на протирание (протирание пять раз). Значения коэффициента пропускания, мутности и стойкости листа до и после испытания на протирание также приведены в ; более подробные результаты испытаний в зависимости от количества салфеток также включены в рисунок S2 в разделе «Вспомогательная информация». В то время как поверхностное сопротивление электрода из неизолированной нанопроволоки Ag увеличилось настолько сильно, что его уже нельзя было измерить после однократного протирания изопропиловым спиртом, электрод из Al ₂ O ₃ /Ag Электрод из нанопроволоки сохранил исходное низкое поверхностное сопротивление. Изображение, полученное с помощью оптической микроскопии, показало, что снижение проводимости электрода из неизолированной нанопроволоки Ag произошло из-за расслаивания, как показано на рис. Напротив, электрод из нанопроволок Al ₂ O ₃ /Ag не показал значительной потери нанопроволок Ag даже после нескольких протираний, как показано на рис. Как было подтверждено ПЭМ-анализом (см. рис. S1), конформное внешнее покрытие Al ₂ O ₃ эффективно предотвращало потерю нанопроволок Ag во время испытания на протирание путем закрепления их на подложке.

Открыть в отдельном окне

Оптические микроскопии изображения ( A , B ) AG и ( C , D ) AL ₂ O ₃ /AGANOWIRE ELECTRODES: ^{66663 A ₃ /AGANOWIRE ELECTROS: 6666663 A ₃ /AGANOWIRE: ( A ₃ /AGANOWIRE. , c ) и ( b , d ) до и после испытания на протирание (пять раз) с использованием изопропилового спирта соответственно. Здесь Ts, Hz и Rs на каждой панели представляют измеренные коэффициенты пропускания, матовость и поверхностное сопротивление соответственно. На вставках представлены фотографии светодиодных ламп, подключенных к каждому образцу.}

Повышенная стойкость к механическому протиранию была дополнительно продемонстрирована при работе светоизлучающего диода (СИД) с электродами из нанопроволоки из серебра, в котором потеря проводимости снижала яркость светодиода. Светодиод с оголенным электродом из нанопроволоки из серебра полностью выключился после всего лишь одного протирания (вставки и вспомогательный фильм 01). Напротив, как показано на вставках к вспомогательному фильму 02, для светодиода с использованием Al 9 не наблюдалось заметного ухудшения яркости.0172 2 O ₃ Электрод из нанопроволоки /Ag даже после многократного протирания изопропиловым спиртом.

Превосходная термическая и атмосферная стабильность была достигнута для электродов из нанопроволоки Ag, инкапсулированных ультратонким слоем Al ₂ O ₃ (~5,3 нм), покрытым низкотемпературным (100 °C) ALD. Конформное напыление тугоплавкого инкапсулирующего слоя Al ₂ O ₃ позволило предотвратить агломерацию нанопроволок Ag за счет подавления поверхностной диффузии атомов Ag, тем самым обеспечивая высокую термическую стабильность даже при отжиге при температурах до 380 °C. на 100 мин. Кроме того, Ал- ₂ O ₃ инкапсулирующий слой эффективно блокировал диффузию H ₂ O, что значительно повысило устойчивость нанопроводов к окружающей среде до более чем 1080 ч при 85°C и относительной влажности 85%. Что касается гибкости, результаты испытаний на циклический изгиб показали, что электроды из нанопроволоки Al ₂ O ₃ /Ag обладают превосходной механической надежностью по сравнению с обычными пленками ITO. Сверхтонкость инкапсулирующего слоя Al ₂ O ₃ позволила сделать электрод из нанопроволоки Ag гибким и повысить его надежность. Наконец, Ал ₂ O ₃ инкапсуляция обеспечила электроду из нанопроволоки Ag превосходную устойчивость к механическому протиранию с использованием изопропилового спирта. В дальнейшем это было продемонстрировано при работе светодиодов, где не наблюдалось снижения яркости даже после повторных испытаний на протирание. Электроды из нанопроволоки Al ₂ O ₃ /Ag с высокой термической, окружающей и механической надежностью, описанные в этом исследовании, расширят потенциал применения этого материала для различных типов гибких / прозрачных устройств, подвергающихся жестким условиям изготовления или эксплуатации.

Изготовление и определение характеристик электродов из серебряных нанопроволок

Раствор серебряных нанопроволок в IPA был предоставлен Центром исследований и разработок BASF Electronic Materials, Азия. Средняя длина и диаметр нанопроволок составляли примерно 25 мкм и 30 нм соответственно. Нанопроволоки Ag наносили на стеклянные и ПЭТ-подложки методом ракельного лезвия; лезвие закреплялось на высоте 30 мкм над поверхностью подложки, скорость движения лезвия составляла 10 мм/с. Покрытые Ag-нанопроволоки на стеклянных и ПЭТ-подложках затем прокаливали на воздухе при 120°C в течение 10 минут для полного испарения растворителя. Пропускание и мутность измеряли в соответствии со стандартом ASTM D1003 (процедура A) с использованием спектрометра UV-Vis (haze-gard i) от BYK-Gardner Instrument. Четырехточечная система датчиков (FPP-2400) от Dasol Engineering Co., Ltd. использовалась для измерения поверхностного сопротивления электродов из серебряных нанопроволок. Морфологию поверхности образцов исследовали с помощью автоэмиссионного СЭМ (FE-SEM, Phillips, XL30 ESEM-FEG). Для испытаний на термическую стабильность в диапазоне температур от 25 °С до 380 °С использовали камерную печь. Испытание на устойчивость к окружающей среде проводилось в термогигростате при поддержании условий окружающей среды с относительной влажностью 85% при температуре 85 °C.

ALD Al

₂ O ₃ инкапсулирующий слой

Инкапсуляция Ag нанопроволок Al ₂ O ₃ проводилась методом ALD с использованием ТМА и H _{3 O 9017 100 °С. Каждый цикл ALD для осаждения Al 2 O 3 состоял из последовательной подачи газов TMA/N 2 /H 2 O/N 2 .}

Испытание на циклический изгиб

Испытание на циклический изгиб было проведено с использованием прибора для испытаний на усталость при изгибе, способного обеспечить постоянную деформацию при изгибе в течение более 500 000 циклов при измерении сопротивления с разрешением ~0,003 Ом ²⁸ . ПЭТ-подложки, покрытые Ag или Al ₂ O ₃ /Ag электроды из нанопроволоки, закрепляли на двух параллельных пластинах с помощью металлических болтов, а медные прокладки в каждой пластине контактировали с образцом для измерения сопротивления при циклическом изгибе. Нижняя пластина двигалась горизонтально с фиксированным расстоянием 10 мм и скоростью изгиба 300 циклов/мин для приложения повторяющейся деформации изгиба. Деформация, приложенная к образцу, была рассчитана как 2,5% с использованием уравнения ε = y/R, где y — расстояние от нейтральной плоскости, а R — радиус изгиба (половина зазора между пластинами, 2,5  мм). Испытание на усталость при изгибе проводили более 3 раз для каждого образца в одинаковых условиях испытаний, чтобы обеспечить воспроизводимость результатов. Более подробное описание измерителя усталости при изгибе можно найти в исх. ²⁸ .

Как цитировать эту статью: Хван, Б. и др. . Очень гибкий и прозрачный электрод из нанопроволоки из серебра, инкапсулированный ультратонким алюминием ₂ O ₃ : термическая, атмосферная и механическая стабильность. Науч. Респ.
7 , 41336; doi: 10.1038/srep41336 (2017).

Примечание издателя: Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Дополнительная информация:

Щелкните здесь для просмотра. ^{(885K, doc)}

Вспомогательный фильм 1:

Щелкните здесь для просмотра. ^{(2.0M, avi)}

Вспомогательный фильм 2:

Щелкните здесь для просмотра. ^{(5.1M, avi)}

Эта работа была поддержана Азиатским центром исследований и разработок электронных материалов BASF, а также Лабораторией программы фундаментальных исследований. Национального исследовательского фонда Кореи, финансируемого Министерством науки, ИКТ и планирования будущего (NRF-2014R1A4A1008474).

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.

Вклад авторов B.H. и Ю.А. разработал и провел эксперимент. Х.Л. и Э.Л. провел анализ ТЭМ. С.Б. и Х.К. курировал проект. Б.Х., Ю.-Х.К. и Х.К. соавтором рукописи. Все авторы обсудили результаты и рассмотрели рукопись.

• Сонг Т. Б.
  и другие. Высокопрочная сеть серебряных нанопроволок для прозрачного электрода. Приложение ACS Матер. Интерфейсы. 7, 24601–7 (2015). [PubMed] [Академия Google]
• Хван Б., Пак М., Ким Т. и Хан С. М.
  Влияние напыления ВОГ на химическую и механическую надежность гибкого прозрачного электрода из нанопроволоки Ag. RSC Adv. 6, 67389–67395 (2016). [Google Scholar]
• Ким А., Вон Ю., Ву К., Ким Ч.-Х. и Мун Дж.
  Высокопрозрачный нанопроволока Zno/Ag/композитный электрод Zno с низким сопротивлением для тонкопленочных солнечных элементов. АКС Нано.
  7, 1081–1091 (2013). [PubMed] [Google Scholar]
• Scheideler W. J.
  и другие. Прочный гибридный электрод из серебряной нанопроволоки/оксида металла с нанесенным методом глубокой печати для высокопроизводительных узорчатых прозрачных проводников. Дж. Матер. хим. С. 4, 3248–3255 (2016). [Академия Google]
• Ху Л., У Х. и Цуй Ю.
  Металлические наносетки, нанопроволоки и нановолокна для прозрачных электродов. Миссис Бык.
  36, 760–765 (2011). [Google Scholar]
• Ли Д.
  и другие. Высокостабильные и гибкие гибридные серебряные нанопроволоки-графеновые прозрачные проводящие электроды для новых оптоэлектронных устройств. Наномасштаб. 5, 7750–5 (2013). [PubMed] [Google Scholar]
• Чен З., Коттерелл Б. и Ван В.
  Разрушение хрупких тонких пленок на податливых подложках в гибких дисплеях. англ. Фракт. мех. 69, 597–603 (2002). [Google Scholar]
• Сиеррос К. А., Моррис Н. Дж., Рамджи К. и Кэрнс Д. Р.
  Коррозионное растрескивание полиэтилентерефталата с покрытием из оксида индия и олова для гибких оптоэлектронных устройств. Тонкие твердые пленки. 517, 2590–2595 (2009). [Google Scholar]
• Ким Т.
  и другие. Электростатическое напыление высокопрозрачного серебряного электрода из нанопроволоки на гибкую подложку. Приложение ACS Матер. Интерфейсы. 5, 788–94 (2013). [PubMed] [Google Scholar]
• Lee J.-Y., Connor S.T., Cui Y. & Peumans P.
  Прозрачные электроды из металлической нанопроволоки, обработанные раствором. Нано Летт.
  8 689–692 (2008 г.). [PubMed] [Google Scholar]
• Хван Б., Ким Т. и Хан С. М.
  Усталостное поведение при сжатии и растяжении сети нанопроволок из серебра. Письма об экстремальной механике. doi: 10.1016/j.eml.2016.02.011. [CrossRef] [Google Scholar]
• Мадария А. Р., Кумар А., Исикава Ф. Н. и Чжоу С.
  Однородные, хорошо проводящие и узорчатые прозрачные пленки перколяционной сети серебряных нанопроволок на жестких и гибких подложках с использованием техники сухого переноса. Нано Рез. 3, 564–573 (2010). [Академия Google]
• Ли Дж., Ли И., Ким Т. С. и Ли Дж. Ю.
  Эффективная сварка сетей серебряных нанопроволок без последующей обработки. Маленький. 9, 2887–94 (2013). [PubMed] [Google Scholar]
• Ali K., Duraisamy N., Kim C. Y. & Choi K.-H.
  Al ₂ O ₃ Изготовление покрытий на серебряных нанопроволоках методом низкотемпературного атомно-слоевого осаждения. Матер. Произв. Процесс.
  29, 1056–1061 (2014). [Google Scholar]
• Чен Д.
  и другие. Термостойкий серебряный нанопроволочный полиимидный прозрачный электрод на основе атомно-слоевого осаждения оксида цинка на серебряных нанопроволоках. Доп. Функц. Матер.
  25, 7512–7520 (2015). [Академия Google]
• Дуань Ю. Х.
  и другие. Высокопроизводительный электрод из гибкой серебряной нанопроволоки с низкотемпературным атомно-слоевым осаждением пленки Zno с проводящими мостиками. Наномасштаб Res. лат.
  10, 90 (2015). [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Pecora A.
  и другие. Низкотемпературные поликремниевые тонкопленочные транзисторы на полиимидных подложках для электроники на пластике. Твердотельный электрон. 52, 348–352 (2008). [Google Scholar]
• Чванг А.
  и другие. 64,2: полноцветные AMOLED-дисплеи с разрешением 100 dpi на гибких подложках из нержавеющей стали. Симпозиум SID Дайджест технических документов. 37, 1858–1861 (2006). [Академия Google]
• Ан Дж., Хван Б., Сонг Э. П., Ли С. и Ким Н. Дж.
  Взаимосвязь микроструктуры и износостойкости покрытий Al ₂ O ₃ -TiO ₂ с плазменным напылением нанопорошков. Металл. Матер. Транс. А.
  37, 1851–1861 (2006). [Google Scholar]
• Чжан Л., Цзян Х. К., Лю К., Дун Дж. В. и Чоу П.
  Отжиг тонких пленок Al ₂ O ₃ , полученных методом атомно-слоевого осаждения. Дж. Физ. Д: заявл. физ. 40, 3707–3713 (2007). [Академия Google]
• Капелла А.
  и другие. Высокотемпературная теплопроводность аморфных тонких пленок Al ₂ O ₃ , выращенных методом низкотемпературной АСО. Доп. англ. Матер.
  15, 1046–1050 (2013). [Google Scholar]
• Уитни А. В., Элам Дж. В., Стейр П. К. и Ван Дайн Р. П.
  На пути к термостойкой подложке для спектроскопии комбинационного рассеяния с улучшенной поверхностью операндо. Дж. Физ. хим. С.
  111, 16827–16832 (2007). [Google Scholar]
• Standridge S.D., Schatz G.C. & Hupp J.T.
  На пути к плазмонным солнечным элементам: защита наночастиц серебра с помощью атомно-слоевого осаждения TiO ₂ . Ленгмюр. 25, 2596–2600 (2009). [PubMed] [Google Scholar]
• Халиг Х. Х. и Голдторп И. А.
  Разрушение прозрачных электродов из серебряных нанопроволок под действием тока. Наномасштаб Res. лат.
  8, 1–6 (2013). [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]
• Ahn Y., Jeong Y. & Lee Y.
  Улучшенная устойчивость к термическому окислению прозрачного электрода из серебряной нанопроволоки, обрабатываемого в растворе, за счет восстановленного оксида графена. Приложение ACS Матер. Интерфейсы. 4, 6410–4 (2012). [PubMed] [Академия Google]
• Лангерейс Э. , Крейторе М., Хейл С.Б.С., ван де Санден М.К.М. и Кесселс В.М.М.
  Плазменное атомно-слоевое осаждение барьеров проникновения влаги Al ₂ O ₃ на полимеры. заявл. физ. лат.
  89, 081915 (2006). [Google Scholar]
• Ли США
  и другие. Формирование двойного слоя ALD-SiO ₂ и напыленных пленок Al ₂ O ₃ /ZrO ₂ на подложках из полиэтилентерефталата в качестве влагозащитного слоя. ECS Solid State Lett. 2, С13–С15 (2013). [Академия Google]
• Хван Б., Шин Х.-А. С., Ким Т., Джу Ю.-К. и Хан С. М.
  Высоконадежный гибкий прозрачный электрод из нанопроволоки Ag с механически сварными соединениями. Маленький. 10, 3397–3404 (2014). [PubMed] [Google Scholar]
• Lee P.
  и другие. Металлический электрод с высокой эластичностью и высокой проводимостью благодаря перколяционной сети из очень длинной металлической нанопроволоки. Доп. Матер.
  24, 3326–32 (2012). [PubMed] [Google Scholar]
• Грир Дж. Р., Оливер В. К. и Никс В. Д.
  Размерная зависимость механических свойств золота в микронном масштабе при отсутствии градиентов деформации. Acta Mater.
  53, 1821–1830 (2005). [Академия Google]
• Хван Б.
  и другие. Влияние поверхностной энергии на размерно-зависимое деформационное двойникование бездефектных нанопроволок Au. Наномасштаб. 7, 15657–15664 (2015). [PubMed] [Google Scholar]
• Kraft O., Gruber P. A., Mönig R. & Weygand D.
  Пластичность в ограниченных размерах. Анну. Преподобный Матер. Рез.
  40, 293–317 (2010). [Google Scholar]
• Ким Б. Дж.
  и другие. Неутомительный, электрически надежный медный электрод с массивом наноотверстий. Маленький. 8, 3300–6 (2012). [PubMed] [Академия Google]
• Хонг С.
  и другие. Безвакуумное, безмасочное изготовление прозрачного проводника из гибкой металлической сетки путем низкотемпературного селективного лазерного спекания чернил из наночастиц. АКС Нано.
  7, 5024–5031 (2013). [PubMed] [Google Scholar]
• Цзэн X.-Y., Чжан Q.-K. , Ю Р.-М. и Лу К.-З.
  Новый прозрачный проводник: серебряная нанопроволока, скрытая на поверхности прозрачного полимера. Доп. Матер.
  22, 4484–4488 (2010). [PubMed] [Google Scholar]

Статьи из научных отчетов предоставлены здесь с разрешения Издательская группа Nature

Обзор создания рисунка гибких электродов на основе серебряных нанопроволок для носимой электроники на основе сухого фоторезиста | Мода и Текстиль

• Обзор
• Открытый доступ
• Опубликовано: 05 сентября 2022 г.

• Бёнхил Хван ¹ и
• Паоло Маттейни ²  

Мода и текстиль
том 9 , номер статьи: 27 (2022)
Процитировать эту статью

• 289 доступов

• 1 Альтметрический

• Сведения о показателях

Abstract

Серебряные (Ag) нанопроволоки привлекли значительное внимание в качестве гибких электродов для различных носимых электронных устройств благодаря их превосходным оптическим и электрическим свойствам. Создание рисунка — важный шаг в производстве электродов из серебряных нанопроволок подходящего размера и формы для применения в электронных устройствах. Среди различных методов нанесения рисунка на нанопроволоки Ag наиболее широко используется фотолитография с использованием жидкого фоторезиста. Тем не менее, некоторые факторы ограничивают широкое использование этого метода, например, неравномерная толщина жидкого фоторезиста на крупномасштабных покрытиях и необходимость этапа последующего отжига, который ограничивает применение для нескольких полимерных подложек. В свою очередь, эти факторы влияют на успешное применение процесса производства рулонных материалов. Сухой пленочный фоторезист (DFR), твердотельный пленочный фоторезист, может обеспечить быстрый и простой процесс формирования рисунка при более низких температурах, поскольку процесс формирования рисунка на основе DFR требует лишь простого этапа ламинирования для нанесения фоторезиста на подложки. Процесс DFR выполняется при температуре ниже 80 °C, что позволяет наносить большинство полимерных субстратов. Кроме того, этот процесс не включает в себя какой-либо дополнительный процесс последующего отжига, что делает его подходящей технологией для процесса изготовления рулонного материала. Благодаря преимуществам формирования рисунка DFR несколько недавних исследований были сосредоточены на этом процессе формирования рисунка нанопроволоки Ag. В этом обзоре представлен обзор успешных примеров формирования рисунка серебряных нанопроволок на основе использования DFR, а также применения структурированных подложек из серебряных нанопроволок, полученных этим методом.

Введение

С развитием гибких/носимых устройств все большее внимание привлекают стабильные прозрачные материалы для электродов (Hu et al., 2010; Kim et al., 2013b; Lee et al., 2016; Lee et al., 2014a). ; Ю и др., 2011). В настоящее время оксид индия-олова (ITO) является наиболее широко используемым материалом для прозрачных электродов благодаря его высокому оптическому пропусканию, проводимости и превосходной химической стабильности. Однако механическая хрупкость электродов на основе ITO ограничивает их применение в носимых устройствах (Jiu et al., 2013; Lee et al., 2013; Lee et al., 2014b). Поэтому активно проводились исследования по изучению применения графена, углеродных нанотрубок (УНТ), металлической сетки и металлических нанопроволок в качестве гибких прозрачных электродов (Hu et al., 2011; Rowell et al., 2006; Wang et al., 2008; Чжан и др., 2006). Среди них металлические нанопроволоки привлекли особое внимание как прозрачные электродные материалы следующего поколения благодаря их высокому коэффициенту пропускания видимого света и проводимости, сравнимым с ITO. В частности, серебряные нанопроволоки стали наиболее многообещающими кандидатами на роль гибких прозрачных электродов благодаря их масштабируемому синтезу с помощью полиольного процесса на основе растворов и их способности покрывать крупномасштабные подложки с помощью технологии «рулон к рулону» (Hwang et al., 2014; Ким и др., 2013а; Ли и др., 2008). Однако для того, чтобы получить эффективные электроды из серебряных нанопроволок для интеграции в гибкие устройства, необходимо рассмотреть основные аспекты, такие как химическая и механическая надежность серебряных нанопроволок, а также разработать соответствующую технологию формирования рисунка.

Фотолитография с использованием жидкого фоторезиста (PR) является наиболее часто используемой технологией формирования рисунка для серебряных нанопроволок (Kim et al., 2018). Во время этого процесса на нанопроволоки Ag наносят PR методом центрифугирования с последующим термическим обжигом при  ~ 100 °C. Затем PR выборочно затвердевают или размягчаются под воздействием ультрафиолетового (УФ) света с помощью фотошаблона, после чего остаются на подложке или удаляются путем помещения в проявляющий растворитель. После этого PR подвергается этапу травления, во время которого нанопроволоки Ag под PR защищаются от травителя, а непокрытые нанопроволоки Ag подвергаются воздействию травителя и, следовательно, удаляются. Наконец, оставшийся PR на нанопроволоках Ag удаляется с помощью раствора для удаления, оставляя на подложке только узорчатые нанопроволоки Ag. Как упоминалось ранее, процесс фотолитографии с использованием светочувствительного жидкого PR широко применяется, и соответствующие условия обработки и инструменты для формирования рисунка хорошо определены даже в промышленности. В настоящее время паттернирование на основе жидкого PR можно применять в промышленности без дополнительных усилий по оптимизации процесса и без дополнительных затрат на новое оборудование. Однако из-за необходимости стадии термообработки (~ 100 °C) для отверждения PR выбор подходящей полимерной подложки до сих пор ограничивал эффективное применение процесса формирования рисунка на основе жидкого PR (Shaw et al., 1997). Кроме того, процесс термического обжига и использование только полимерных подложек влияет на совместимость PR на жидкой основе с процессом изготовления рулона в рулон (An et al., 2017). Лазерное паттернирование — это альтернативный метод паттернирования серебряных нанопроволок в промышленности (Oh et al., 2016). По сравнению с фотолитографией, которая включает в себя различные этапы для формирования рисунка, лазерное травление может обеспечить формирование рисунка нанопроволок Ag за один процесс и может сформировать очень тонкие узоры. Однако медленная скорость формирования рисунка лазерами увеличивает время обработки и общую стоимость. Кроме того, лазер потенциально может повредить подложку из-за используемых высоких энергий. Все вышеперечисленные ограничения препятствуют применению лазерного структурирования серебряных нанопроволок, особенно в промышленном производстве.

Чтобы преодолеть ограничения существующих методов формирования рисунка, различные исследователи разработали новые методы формирования рисунка для электродов из нанопроволоки Ag (Kim et al., 2015; Liu et al., 2016; Song et al., 2015, 2016). Например, Сонг и др. сообщили об использовании интенсивного импульсного света (IPL) для формирования рисунка металлических нанопроволок (Song et al., 2016). Это достигается за счет селективного облучения нанопроволок Ag с использованием IPL сверхвысокой энергией, чтобы обеспечить прилипание нанопроволок Ag к полимерной подложке в области, обработанной IPL (рис. 1). Необработанные нанопроволоки Ag обладают слабой адгезией к подложке и могут быть легко удалены механическим протиранием или ультразвуковой очисткой, что позволяет формировать узорчатые нанопроволоки Ag на обработанной IPL области. В частности, технология формирования рисунка на основе IPL привлекла внимание благодаря своей простоте и быстроте создания рисунка. Однако потенциальный риск фототермического повреждения подложки ограничивает дальнейшее применение этого метода. С другой стороны, грубые этапы удаления, такие как механическое протирание или ультразвуковая очистка, ограничивают образование однородных тонких рисунков на большой площади. Лю и др. сформировали узоры нанопроволок Ag с использованием метода селективной обработки УФ-озоном (Liu et al., 2016) путем выборочного придания гидрофильной природы гидрофобной поверхности подложки, после чего нанопроволоки Ag выборочно осаждали для формирования узоров (рис. 2). Хотя этот процесс прост и не требует высокоэнергетического устройства, которое может повредить подложку, разрешение формирования рисунка было хуже, чем у ранее описанных технологий формирования рисунка (Kim et al., 2018; Li et al., 2018; Сонг и др., 2020). Учитывая, что промышленность в основном оснащена фотолитографическими системами, необходимость установки нового оборудования и значительные усилия, необходимые для стабилизации новых процессов, значительно увеличивают себестоимость вновь разработанных технологий нанесения рисунка. Следовательно, для разработки эффективной технологии формирования рисунка электродов из нанопроволоки из серебра технология должна быть способна использовать существующие фотолитографические установки.

Рис. 1

Перепечатано с разрешения Song et al., (2016). Copyright 2015 Американское химическое общество

Схема процедуры изготовления узорчатых электродов из нанопроволоки Ag на основе IPL. Воспроизведено с разрешения Song et al., (2016).

Полноразмерное изображение

Рис. 2

Воспроизведено с разрешения исх. (Лю и др., 2016). Перепечатано с разрешения исх. (Лю и др., 2016). Copyright 2016 Американское химическое общество

Схема технологии изготовления узорчатых электродов из нанопроволоки Ag на основе обработки УФ-озоном.

Полноразмерное изображение

Чтобы устранить ограничения ранее описанных методов, был описан метод формирования рисунка с использованием сухого пленочного фоторезиста (DFR) (An et al. , 2017; Kim et al., 2017b). DFR представляет собой твердотельную фоточувствительную смолу пленочного типа, на которую можно нанести покрытие с помощью простого процесса ламинирования. Кроме того, процесс на основе DFR не требует термического обжига, как это требуется для жидкого PR. Таким образом, он позволяет использовать различные полимерные субстраты по сравнению с процессом на основе жидкого PR. Кроме того, благодаря его твердому состоянию можно придавать DFR одинаковой толщины на крупномасштабных подложках и наносить его на особые подложки, такие как дырчатые полимерные пленки или цилиндрические подложки. В частности, существующее фотолитографическое оборудование, помимо простого ламинатора, может быть использовано для выполнения процесса формирования рисунка на основе DFR, который, таким образом, может быть непосредственно адаптирован к промышленным производственным линиям. Из-за этих преимуществ несколько исследований были посвящены использованию DFR для создания рисунка нанопроволоки из серебра [ссылка]. В этом обзоре мы обобщаем методы формирования рисунка прозрачных электродов из серебряных нанопроволок на основе DFR и обсуждаем применение полученных электродов.

Метод формирования рисунка электродов из нанопроволоки из серебра с использованием DFR

На рисунке 3 схематически показано формирование рисунка из нанопроволок из серебра с использованием DFR (An et al., 2017; Kim et al., 2017b). Во-первых, пленка DFR наносится на подложку, покрытую нанопроволоками Ag, с использованием простого метода ламинирования при температуре приблизительно 80 °C таким образом, чтобы термическое повреждение нанопроволок Ag во время процесса считалось незначительным. Затем электрод из нанопроволоки Ag, покрытый DFR, выборочно подвергается воздействию УФ-излучения через фотошаблон для формирования рисунка, во время которого УФ-облученная область отверждается и остается нерастворенной в последующем процессе проявления. Для процесса проявления после УФ-обработки образец погружают в основной карбонат натрия (Na 9{ — } \to {\text{DFR}} {-} {\text{COONa}} + {\text{H}}_{{2}} {\text{O}}$$

Рис. 3

Воспроизведено с разрешения исх. (Ан и др., 2017). Авторское право (2017 г.), с разрешения Королевского химического общества

Схема процесса формирования рисунка с использованием DFR.

Изображение в натуральную величину

Затем нанопроволоки Ag, которые обнажаются после процесса проявления, травятся с помощью травителя серебра. Затем вытравленные нанопроволоки Ag погружают в водный раствор гидроксида натрия (NaOH) с более сильной щелочностью, чем Na ₂ CO ₃ для удаления затвердевшего DFR, который остается на узорчатых серебряных нанопроволоках на подложке. Поскольку процесс проявления и отпарки выполняются в щелочных водных растворах, метод DFR считается менее вредным по сравнению с жидким процессом PR, в котором используются органические растворители.

На рисунке 4 показано изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), электродов из серебряных нанопроволок и углеродных нанотрубок (УНТ), сформированных с использованием метода на основе DFR. В случае УНТ рисунки формируются с использованием процесса плазменного травления из-за трудностей получения рисунка УНТ с использованием травления на основе раствора. Как правило, узоры шириной до 30 мкм могут быть сформированы как в серебряных нанопроволоках, так и в УНТ на подложках большой площади размером 10 см или более. Кроме того, недавнее исследование подтвердило возможность формирования узоров шириной 10 мкм (внутреннее изображение на рис. 4в), хотя это может быть достигнуто только на подложке размером менее 1 см из-за слабой адгезии между нанопроволоками Ag и подложкой. , что приводит к удалению нанопроволок Ag в процессе зачистки DFR. В любом случае, 30 мкм представляется приемлемой точностью рисунка для электродов, применяемых в датчиках, таких как сенсорные панели, в то время как приложения, требующие меньшего размера рисунка, ограничиваются небольшими устройствами, такими как электроды тонкопленочных транзисторов, где, однако, подложка толщиной 1 см размер достаточный.

Рис. 4

Воспроизведено с разрешения An et al., (2017). Авторское право (2017 г.), с разрешения Королевского химического общества

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) изображений a – c узорчатых сетей нанопроволоки Ag и d – f сетей УНТ различной ширины. b Узорчатые сети нанопроволок Ag и e CNT сети шириной 30 мкм. c , f СЭМ-изображения с большим увеличением областей, заключенных в белые квадраты на б и е соответственно.

Изображение в полный размер

На рис. 5 показаны значения сопротивления линии и поверхностного сопротивления прозрачного электрода в зависимости от размера рисунка. Как показано на изображении, значения сопротивления линии увеличиваются по мере уменьшения размера рисунка нанопроволоки Ag, и существует линейная зависимость между размером рисунка и значением сопротивления линии в логарифмическом масштабе в соответствии с известной теорией перколяции. Кроме того, значение сопротивления листа, рассчитанное с использованием значения сопротивления на единицу площади, показало сходное значение независимо от размера узора, что также согласуется с теорией просачивания. Это демонстрирует, что процесс формирования рисунка на основе DFR вызывает минимальное повреждение нанопроволок Ag, что позволяет формировать рисунок без значительного ухудшения электрических свойств электрода.

Рис. 5

Воспроизведено с разрешения An et al., (2017). Авторское право (2017 г.), с разрешения Королевского химического общества

Изменение сопротивления и расчетное сопротивление листа в зависимости от ширины рисунка. На вставке показаны логарифмически перемасштабированные результаты сопротивления линии.

Изображение в натуральную величину

Стоит отметить, что при моделировании на основе DFR (рис. 6) покрытие может быть выполнено без последующей термообработки и с использованием простого процесса ламинирования, что в свою очередь обеспечивает совместимость с рулонным процесс.

Рис. 6

Воспроизведено с разрешения An et al., (2017). Авторское право (2017 г.), с разрешения Королевского химического общества

. Концептуальная иллюстрация системы рулонного производства в сочетании с ламинатором для формирования рисунка на основе DFR.

Полноразмерное изображение

Кроме того, предыдущее исследование подтвердило, что формирование рисунка можно выполнить без использования травителя с помощью метода отрыва (Kim et al., 2017b), как показано на рис. 7. В этом случае по сравнению с В вышеупомянутом процессе DFR, DFR на удаляемых Ag-нанопроволоках не отверждаются во время воздействия УФ-излучения, тогда как DFR на Ag-нанопроволоках, которые не удаляются, отверждаются, что приводит к сильной адгезии к DFR последних. Затем отвержденный DFR удаляется с помощью раствора для удаления вместе с прилипшими серебряными нанопроволоками, в конечном итоге получая узоры из серебряных нанопроволок шириной до 50 мкм (рис. 8). Дальнейшее уменьшение размера рисунка приводит к неизбежному затвердеванию части, которую не следует отверждать, что влияет на формирование чистого рисунка. Из-за ограничений размера шаблона этот метод может применяться только в определенных приложениях, требующих относительно большого размера шаблона, таких как сенсорные панели или гибкие печатные платы. Рисунок 9показан гибкий органический светоизлучающий диод (OLED), успешно изготовленный с использованием электродов из нанопроволоки Ag, сформированных с помощью процесса DFR на основе отрыва. Светоизлучающие характеристики OLED, изготовленного с использованием узорчатых нанопроволок Ag, были сравнимы с характеристиками, изготовленными с использованием электродов ITO, что подтверждает осуществимость процесса DFR на основе отрыва для формирования рисунка нанопроволоки Ag.

Рис. 7

Воспроизведено из Kim et al., (2017b). Авторское право (2017 г.), с разрешения Elsevier

Схема безтравильного формирования рисунка и встраивания серебряных нанопроволок в соответствии с процессом DFR на основе отрыва.

Изображение в полный размер

Рис. 8

Воспроизведено из Kim et al., (2017b). Авторское право (2017 г.), с разрешения Elsevier

СЭМ-изображение электродов из нанопроволоки Ag с различной шириной рисунка и увеличенное изображение квадрата с белой точкой.

Полноразмерное изображение

Рис. 9

Воспроизведено из Kim et al., (2017b). Авторское право (2017 г.), с разрешения Elsevier

OLED на основе серебряных нанопроволок. a Схематическая структура OLED. b Работа OLED при напряжении 5 В. c Плотность тока и яркость, а также d Энергоэффективность и выход по току OLED на основе Ag-нанопроволок по сравнению с OLED на основе оксида индия-олова (ITO).

Изображение в полный размер

Узорчатая DFR также может использоваться в качестве изолирующего слоя электродов из серебряных нанопроволок для применения в OLED-дисплеях гибкой формы (Kim & Hwang, 2018). На рисунке 10 показан процесс изготовления узорчатых электродов с использованием DFR. Во-первых, DFR выборочно отверждается с помощью фотошаблона желаемой формы. Оптические и СЭМ-изображения узорчатого DFR показаны на рис. 11. Затем селективно отвержденный DFR прижимается горячим способом к электродам из нанопроволоки из серебра для формирования вертикально изолированных электродов из нанопроволоки из Ag с желаемой формой рисунка. Наконец, гибкий OLED может быть получен путем нанесения органического светоизлучающего слоя на электроды из нанопроволоки из серебра в форме DFR (рис. 12a и b). Изготовленный OLED демонстрирует высокие значения плотности тока и энергоэффективности, которые сравнимы с электродами ITO (рис. 12c и d).

Рис. 10

Воспроизведено из Kim & Hwang, (2018). Авторское право (2018 г.), с разрешения Elsevier

a Схематические иллюстрации этапов изготовления узорчатых и встроенных электродов из нанопроволоки Ag с изолирующим слоем DFR. b СЭМ-изображение, наклоненное под углом 35°, и c изображение, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) серебряных нанопроволок, встроенных в ПММА.

Изображение в полный размер

Рис. 11

Воспроизведено из Kim & Hwang, 2018). Copyright (2018), с разрешения Elsevier

a Фотографии готовых рисунков DFR различной формы, прикрепленных к электродам AgNW/PMMA/PET. b СЭМ-изображения границы между Ag-нанопроволоками и DFR и c предварительно сформированный DFR с разной шириной линий.

Полноразмерное изображение

Рис. 12

Воспроизведено со ссылки. Ким и Хван (2018). Авторское право (2018 г.), с разрешения Elsevier

a Схематическая структура OLED-дисплея на основе DFR на основе изолятора. б Фотографии OLED, изготовленных с использованием электродов Ag nanowire/DFR различной формы. Характеристики электролюминесценции OLED-светодиодов на основе Ag нанопроволоки/DFR и ITO: плотность тока и яркость c , энергоэффективность и выход по току d .

Изображение в натуральную величину

С ростом интереса к экологически чистым продуктам электроника на бумажной основе привлекает все большее внимание. DFR можно использовать в качестве среды для переноса нанопроволок Ag в бумажную электронику (Kim et al., 2017a), как показано на рис. 13. Сначала нанопроволоки Ag наносят на полиэтилентерефталат без грунтовки (NP-PET). , который затем ламинируется DFR. Нанопроволоки Ag внедряются в DFR в процессе ламинирования. Затем нанопроволоки Ag с покрытием DFR на NP-PET помещают на бумагу с тонерной печатью, которая подвергается горячему прессованию под давлением 30 МПа при 90 °C, что приводит к отделению Ag-нанопроволок, покрытых DFR, от NP-PET и переносу их на бумагу. Осуществимость процесса переноса является следствием более слабой адгезии нанопроволок Ag к NP-PET по сравнению с бумагой. Нанопроволоки Ag, перенесенные с помощью DFR, демонстрируют хорошую механическую стабильность в течение 1000 циклов изгиба при радиусе изгиба 5 мм (рис. 14a и b). Кроме того, нагреватель на бумажной основе, изготовленный вышеуказанным способом, проявляет однородную нагревательную способность, как показано на рис. 14c, d.

Рис. 13

Воспроизведено из Kim et al. (2017а). Авторское право (2017 г.), с разрешения Elsevier

a Схема процесса изготовления электрода из нанопроволоки Ag/DFR/бумаги. b Изображение нанопроволок Ag/DFR/бумажного электрода. На вставке b показан изогнутый электрод из нанопроволоки Ag/DFR/бумага. c Вид сверху и d СЭМ-изображения серебряных нанопроволок, встроенных в DFR, под углом 30°.

Полноразмерное изображение

Рис. 14

Воспроизведено из Kim et al. (2017а). Copyright (2017), с разрешения Elsevier

a Изменение сопротивления электрода из нанопроволоки Ag/DFR/бумаги в зависимости от количества циклов изгиба. b Изображения работы светодиода, подключенного к электроду из нанопроволоки Ag/DFR/бумаги, до и после изгиба. c Изображение электрода из нанопроволоки Ag/DFR/бумаги, подключенного к источнику питания, и d ИК-изображения c до и после подачи напряжения 3,0 В.

Изображение полного размера

Выводы

В этом обзоре обсуждается метод формирования рисунка гибких электродов из нанопроволоки из серебра с использованием DFR, а также его оптимизация и использование в различных приложениях. Несмотря на то, что было предпринято много усилий для обеспечения коммерциализации электродов из серебряных нанопроволок, разработка доступной технологии формирования рисунка из серебряных нанопроволок по-прежнему представляет собой серьезную проблему. Хотя стандартные процессы фотолитографии или технологии лазерного формирования рисунка могут использоваться для формирования рисунка, по-прежнему крайне важно разработать альтернативный метод, демонстрирующий совместимость с производственным процессом с рулона на рулон на больших площадях и направленный на дальнейшее расширение применения серебряных нанопроволок. В настоящее время процесс формирования рисунка на основе DFR демонстрирует различные преимущества благодаря удобству, быстроте и простоте нанесения с помощью ламинирования без необходимости последующей термообработки. Совместимость DFR с производственным процессом с рулона на рулон представляет собой еще одно преимущество в производстве электродов из нанопроволоки из серебра. С учетом этих предпосылок ожидается, что применение формирования рисунка на основе DFR вызовет растущий интерес в ближайшем будущем, что может ускорить коммерциализацию гибких электродов из нанопроволоки из серебра.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные и/или проанализированные в ходе текущего исследования, можно получить у соответствующего автора по обоснованному запросу.

Ссылки

• Ан, К.-Х., Ким, С., Ли, Х.-Дж., и Хванг, Б. (2017). Легкое создание рисунка с использованием сухих пленочных фоторезистов для гибкой электроники: сети из серебряных нанопроволок и сети из углеродных нанотрубок. Journal of Materials Chemistry C, 5 (19), 4804–4809. https://doi.org/10.1039/C7TC00885F

  КАС
  Статья

  Google ученый

• Ху, Л., Ким, Х.С., Ли, Дж.-Ю., Пиманс, П., и Цуй, Ю. (2010). Масштабируемое покрытие и свойства прозрачных гибких серебряных электродов из нанопроволоки. ACS Nano, 4 (5), 2955–2963. https://doi.org/10.1021/nn1005232

  CAS
  Статья
  пабмед

  Google ученый

• Ху Л., Ву Х. и Цуй Ю. (2011). Металлические наносетки, нанопроволоки и нановолокна для прозрачных электродов. MRS Bulletin, 36 (10), 760–765. https://doi.org/10.1557/mrs.2011.234

  CAS
  Статья

  Google ученый

• Хван, Б., Шин, Х.-А.-С., Ким, Т., Джу, Ю.-К., и Хан, С. М. (2014). Высоконадежный гибкий прозрачный электрод из нанопроволоки Ag с механически сварными соединениями. Small (weinheim an Der Bergstrasse, Германия), 10 (16), 3397–3404. https://doi.org/10.1002/smll.201303906

  КАС
  Статья

  Google ученый

• Джиу Дж., Сугахара Т., Ноги М., Араки Т., Суганума К., Учида Х. и Шинозаки К. (2013). Спекание прозрачных пленок серебряных нанопроволок на полимерных подложках с помощью высокоинтенсивного импульсного света: влияние тепловых свойств подложек на характеристики серебряных пленок. Nanoscale, 5 (23), 11820–11828. https://doi.org/10.1039/C3NR03152G

  КАС
  Статья
  пабмед

  Google ученый

• Ким Т., Канлиер А., Ким Г. Х., Чой Дж., Парк М. и Хан С. М. (2013a). Электростатическое напыление высокопрозрачного серебряного электрода из нанопроволоки на гибкую подложку. Прикладные материалы и интерфейсы ACS, 5 (3), 788–794. https://doi.org/10.1021/am3023543

  CAS
  Статья

  Google ученый

• Ким С. , Эом Т.-Ю., Чо М., Сонг К.-Ю., Ан С.-Х., Ли Х.-Дж. и Хван Б. (2017а). Простой перенос серебряных нанопроволок с помощью сухого пленочного фоторезиста для гибкой электроники на бумажной основе. Материалы Письма, 199 , 196–199. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2017.04.080

  CAS
  Статья

  Google ученый

• Ким С. и Хван Б. (2018). Электрод из нанопроволоки Ag с узорчатым сухим пленочным фоторезистивным изолятором для гибких органических светодиодов различных конструкций. Материалы и дизайн, 160 , 572–577. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.09.051

  CAS
  Статья

  Google ученый

• Ким С., Ким Б., Чо С. М., Ли Х.-Дж. и Хван Б. (2017b). Создание рисунка прозрачного электрода из серебряной нанопроволоки без травления с использованием сухих пленочных фоторезистов для органических светоизлучающих диодов. Materials Letters, 209 , 433–436. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2017.08.066

  КАС
  Статья

  Google ученый

• Ким, Х., Ли, Г., Беккер, С., Ким, Дж.-С., Ким, Х., и Хванг, Б. (2018). Новое формирование гибких и прозрачных электродов из нанопроволоки из серебра с использованием обработки кислородной плазмой. Journal of Materials Chemistry C, 6 (35), 9394–9398. https://doi.org/10.1039/C8TC02377H

  CAS
  Статья

  Google ученый

• Ким Ю., Сонг С.-Х., Квак М.-Г., Джу Б.-К. и Ким Дж.-В. (2015). Гибкий сенсорный датчик с мелкозернистыми серебряными нанопроволоками, встроенными в поверхность бесцветной полиимидной пленки. RSC Advances, 5 (53), 42500–42505. https://doi.org/10.1039/C5RA01657F

  CAS
  Статья

  Google ученый

• Ким А., Вон Ю., Ву К., Ким Ч.-Х. и Мун Дж. (2013b). Высокопрозрачный ZnO/Ag нанопроволока/композитный электрод ZnO с низким сопротивлением для тонкопленочных солнечных элементов. ACS Nano, 7 (2), 1081–1091. https://doi.org/10.1021/nn305491x

  CAS
  Статья
  пабмед

  Google ученый

• Ли, Дж.-Ю., Коннор, С.Т., Куи, Ю., и Пиманс, П. (2008). Прозрачные электроды из металлической нанопроволоки, обработанные раствором. Nano Letters, 8 (2), 689–692. https://doi.org/10.1021/nl073296g

  CAS
  Статья
  пабмед

  Google ученый

• Ли, Х., Ли, Д., Ан, Ю., Ли, Э.-В., Парк, Л.С., и Ли, Ю. (2014a). Высокоэффективные и низковольтные OLED на основе серебряных нанопроволок, в которых используется слой инжекции дырок n-типа. Nanoscale, 6 (15), 8565–8570. https://doi.org/10.1039/C4NR01768D

  CAS
  Статья
  пабмед

  Google ученый

• Ли, Дж., Ли, И., Ким, Т.-С., и Ли, Дж.-Ю. (2013). Эффективная сварка серебряных нанопроволок без постобработки. Small (weinheim an Der Bergstrasse, Германия), 9 (17), 2887–2894. https://doi.org/10.1002/smll.201203142

  CAS
  Статья

  Google ученый

• Ли, М., Ко, Ю., Мин, Б.К., и Джун, Ю. (2016). Верхние электроды из нанопроволоки из серебра в гибких перовскитных солнечных элементах с использованием металлического титана в качестве подложки. Чемсущем, 9 (1), 31–35. https://doi.org/10.1002/cssc.201501332

  CAS
  Статья
  пабмед

  Google ученый

• Ли, С. Дж., Ким, Ю.-Х., Ким, Дж. К., Байк, Х., Парк, Дж. Х., Ли, Дж., Нам, Дж., Пак, Дж. Х., Ли, Т.-У. , Йи, Г.-Р., и Чо, Дж. Х. (2014b). Процесс сварки рулонных серебряных электродов из нанопроволоки. Nanoscale, 6 (20), 11828–11834. https://doi.org/10.1039/C4NR03771E

  CAS
  Статья
  пабмед

  Google ученый

• Ли, X. , Пак, Х., Ли, М. Х., Хван, Б., Ким, С. Х., и Лим, С. (2018). Создание рисунка с высоким разрешением на гибком прозрачном электроде из нанопроволоки Ag с помощью электрогидродинамической струйной печати слоя покрытия из композита акрилового полимера и силикатных наночастиц. Organic Electronics, 62 , 400–406. https://doi.org/10.1016/j.orgel.2018.08.032

  CAS
  Статья

  Google ученый

• Лю, С., Хо, С., и Со, Ф. (2016). Новый метод формирования рисунка серебряных электродов из нанопроволоки для термически напыленных органических светоизлучающих диодов. Прикладные материалы и интерфейсы ACS, 8 (14), 9268–9274. https://doi.org/10.1021/acsami.6b00719

  CAS
  Статья

  Google ученый

• О, Х., Ли, Дж., Ким, Дж.-Х., Парк, Дж.-В., и Ли, М. (2016). Изготовление рисунков электродов из невидимых нанопроволок из серебра на основе индуцированной лазером нестабильности Рэлея. Журнал физической химии C, 120 (36), 20471–20477. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b08019

  CAS
  Статья

  Google ученый
  (2006). Органические солнечные элементы с сетчатыми электродами из углеродных нанотрубок. Applied Physics Letters, 88 (23), 233506. https://doi.org/10.1063/1.2209887

  CAS
  Статья

  Google ученый

• Шоу, Дж. М., Гелорме, Дж. Д., Лабианка, Северная Каролина, Конли, У. Э., и Холмс, С. Дж. (1997). Негативные фоторезисты для оптической литографии. IBM Journal of Research and Development, 41 (1.2), 81–94. https://doi.org/10.1147/rd.411.0081

  CAS
  Статья

  Google ученый

• Сонг, К.-Х., Хан, К.Дж., Джу, Б.-К., и Ким, Дж.-В. (2016). Фотоусиленное моделирование сетей металлических нанопроволок для изготовления сверхгибких прозрачных устройств. Прикладные материалы и интерфейсы ACS, 8 (1), 480–489. https://doi.org/10.1021/acsami.5b09386

  CAS
  Статья

  Google ученый

• Сонг, К.-Х., Ок, К.-Х., Ли, К.-Дж., Ким, Ю., Квак, М.-Г., Хан, К.Дж., Ким, Н., Джу, Б.-К., и Ким, Дж.-В. (2015). Облучение прозрачных электродов на основе серебряных нанопроволок интенсивным импульсным светом для использования в гибких органических светоизлучающих диодах. Organic Electronics, 17 , 208–215. https://doi.org/10.1016/j.orgel.2014.12.015

  CAS
  Статья

  Google ученый

• Сонг Р., Яо С., Лю Ю., Ван Х., Донг Дж., Чжу Ю. и О’Коннор Б. Т. (2020). Простой подход к изготовлению растягиваемых органических транзисторов с электродами из нанопроволоки Ag с лазерным рисунком. Прикладные материалы и интерфейсы ACS, 12 (45), 50675–50683. https://doi.org/10.1021/acsami.0c15339

  КАС
  Статья

  Google ученый

• Ван, X. , Чжи, Л., и Мюллен, К. (2008). Прозрачные проводящие графеновые электроды для солнечных элементов, сенсибилизированных красителем. Nano Letters, 8 (1), 323–327. https://doi.org/10.1021/nl072838r

  CAS
  Статья
  пабмед

  Google ученый

• Ю, З., Чжан, К., Ли, Л., Чен, К., Ню, X., Лю, Дж., и Пей, К. (2011). Очень гибкие серебряные нанопроволочные электроды для полимерных светоизлучающих диодов с памятью формы. Advanced Materials, 23 (5), 664–668. https://doi.org/10.1002/adma.201003398

  CAS
  Статья
  пабмед

  Google ученый

• Чжан Д., Рю К., Лю X., Поликарпов Э., Ли Дж., Томпсон М. Э. и Чжоу К. (2006). Прозрачные, проводящие и гибкие пленки углеродных нанотрубок и их применение в органических светоизлучающих диодах. Nano Letters, 6 (9), 1880–1886 гг. https://doi.org/10.1021/nl0608543

  КАС
  Статья
  пабмед

  Google ученый

Ссылки на скачивание

Благодарности

Неприменимо.

Разрешение IRB неприменимо, поскольку в этом исследовании не проводились эксперименты на людях или животных.

Финансирование

Это исследование было поддержано Национальным исследовательским фондом (NRF) Кореи, который финансируется Министерством науки, информационных и коммуникационных технологий (№ гранта NRF-2019).K1A3A1A25000230 и 2021R1F1A1054886).

Информация об авторе

Авторы и филиалы

1. Школа интегративной инженерии, Университет Чун-Анг, Сеул, 06974, Республика Корея

   Byungil Hwang

2. Физический исследовательский совет «Carello Carliedra»

   , Via Madonna del Piano 10, 50019, Sesto Fiorentino, Италия

   Paolo Matteini

Авторы

1. Byungil Hwang

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

2. Paolo Matteini

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

Contributions

BH и PM черновик рукописи. Оба автора прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Информация об авторе

Бьюнгиль Хван, доцент, Школа интегративной инженерии, Университет Чун-Анг, Сеул 06974, Республика Корея. Паоло Маттейни, директор по исследованиям, Институт прикладной физики «Нелло Каррара», Национальный исследовательский совет, Via Madonna del Piano 10, Sesto Fiorentino, 50019, Италия.

Автор, ответственный за переписку

Бёнгиль Хван.

Заявления об этике

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Дополнительная информация

Примечание издателя

Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Права и разрешения

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете авторство оригинальный автор(ы) и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons на статью, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Съедобные гидрогелевые электроды, напечатанные на 3D-принтере

Журнальная статья

Скачать полный текст (открытый доступ)

• Обзор
• Фон
• Личность
• Дополнительная информация о документе
• Посмотреть все

Обзор

Резюме

• Мы сообщаем о ручном реактивном печатающем устройстве, используемом для нанесения рисунка на высокопроводящие съедобные гидрогелевые проволоки, образованные из геллановой камеди, желатина, сшивающих агентов и поваренной соли (NaCl). Электропроводность гелей при печати (190 ± 20 мСм/см) близко соответствовала проводимости, зарегистрированной для литых систем (200 ± 19 мСм/см). Было обнаружено, что печать снижает модуль упругости и деформацию разрушения гидрогелей при сжатии, но напечатанные гели сохраняют достаточную целостность для применения в качестве гибких проводящих линий. Мы демонстрируем, что ручная печать может быть использована для создания рисунка элементов из мягкого проводника в простой электронной схеме.

Дата публикации

• 2016

Имеет предметную область

• 0303 — МАКРОМОЛЕКУЛЯРНАЯ И ХИМИЯ МАТЕРИАЛОВ

Опубликовано в

• Журнал достижений MRS

Географический фокус

• Австралия Страна

Фон

Цитата

• Келлер, А. , Стивенс, Л., Уоллес, Г.Г., и в Het Panhuis, М. (2016). Съедобные гидрогелевые электроды, напечатанные на 3D-принтере. MRS Advances, 1 (8), 527-532.

Идентификатор

Цифровой идентификатор объекта (doi)

• 10.1557/доп.2015.10

Scopus Ид

• 2-с2.0-8502

  26

Регистрационный номер Web Of Science

• WOS:000412495500004

Ro Полнотекстовый URL-адрес

• http://ro.uow.edu.au/cgi/viewcontent.cgi?article=3824&context=aiimpapers

URL-адрес метаданных Ro

• http://ro. uow.edu.au/aiimpapers/2774

Обзор

Резюме

• Мы сообщаем о ручном реактивном печатающем устройстве, используемом для нанесения рисунка на высокопроводящие съедобные гидрогелевые проволоки, образованные из геллановой камеди, желатина, сшивающих агентов и поваренной соли (NaCl). Проводимость гелей при печати (190 ± 20 мСм/см) близко соответствовала проводимости, зарегистрированной для литых систем (200 ± 19 мСм/см). Было обнаружено, что печать снижает модуль упругости и деформацию разрушения гидрогелей при сжатии, но напечатанные гели сохраняют достаточную целостность для применения в качестве гибких проводящих линий. Мы демонстрируем, что ручная печать может быть использована для создания рисунка элементов из мягкого проводника в простой электронной схеме.

Дата публикации

• 2016

Имеет предметную область

• 0303 — МАКРОМОЛЕКУЛЯРНАЯ И ХИМИЯ МАТЕРИАЛОВ

Опубликовано в

• Журнал достижений MRS

Географический фокус

• Австралия Страна

Фон

Цитата

• Келлер, А. , Стивенс, Л., Уоллес, Г.Г., и в Het Panhuis, М. (2016). Съедобные гидрогелевые электроды, напечатанные на 3D-принтере. MRS Advances, 1 (8), 527-532.

Идентификатор

Цифровой идентификатор объекта (doi)

• 10.1557/доп.2015.10

Scopus Ид

• 2-с2.0-8502

  26

Регистрационный номер Web Of Science

• WOS:000412495500004

Ro Полнотекстовый URL-адрес

• http://ro.uow.edu.au/cgi/viewcontent.cgi?article=3824&context=aiimpapers

URL-адрес метаданных Ro

• http://ro. uow.edu.au/aiimpapers/2774

Пол Леу

Галанте, А.Дж., Йейтс, К.А., Романовский, Э.Г., Шанкс, Р.М.К., и Леу, П.В. (2022). Функционализированный нано-оксид графена, полученный из угля, для отбеливания моющихся, прочных противовирусных тканевых покрытий. ACS APPLIED NANO MATERIALS , 5(1), 718-728. Американское химическое общество (ACS). doi: 10.1021/acsanm.1c03448.

Хаганифар С. и Леу П.В. (2022). Подробный балансовый анализ солнечных элементов с массивом вертикальных нанопроволок GaAs: превышение предела Шокли Квайссера. ОПТИКА ЭКСПРЕСС , 30(10), 16145-16158. Издательская группа «Оптика». doi: 10.1364/OE.455663.

Хаганифар, С., Галанте, А.Дж., Зарей, М., Чен, Дж., Тан, С., и Леу, П.В. (2022). Механически прочные, суперотталкивающие поверхности микроячеек/наночастиц, напечатанные на 3D-принтере. NANO RESEARCH , 15(6), 5678-5686. Springer Science and Business Media LLC. doi: 10.1007/s12274-022-4139-3.

Шарма, С.П., и Леу, П.В. (2021). Ориентация солнечных модулей и производительность и оптимизация типа отслеживания. г. ЖУРНАЛ ФОТОНИКИ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИКИ , 11 (4). SPIE-Intl Soc Optical Eng. doi: 10.1117/1.JPE.11.045501.

Чжоу З., Уокер С.Б., ЛеМье М. и Леу П.В. (2021). Залитые полимером серебряные микросетки с реактивными чернилами, не содержащими частиц, для гибких высокопроизводительных прозрачных проводящих электродов. ACS APPLIED ELECTRONIC MATERIALS , 3(5), 2079-2086. Американское химическое общество (ACS). doi: 10.1021/acsaelm.1c00107.

Галанте, А.Дж., Хаганифар, С., Романовски, Э.Г., Шанкс, Р.М.К., и Леу, П.В. (2020). Супергемофобное и противообрастающее покрытие для механически прочных и устойчивых к стирке медицинских тканей. ACS ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИНТЕРФЕЙСЫ , 12(19), 22120-22128. Американское химическое общество (ACS). дои: 10.1021/acsami.9b23058.

Галанте, А.Дж., Хаганифар, С., Романовски, Э.Г., Шанкс, Р.М.К., и Леу, П. В. (2020). Супергемофобное и противообрастающее покрытие для механически прочных и устойчивых к стирке медицинских тканей (том 12, стр. 22120, 2020). ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИНТЕРФЕЙСЫ ACS , 12(26), 30016. Американское химическое общество (ACS). дои: 10.1021/acsami.0c08966.

Хаганифар, С., Галанте, А.Дж., и Леу, П.В. (2020). Проблемы и перспективы биологически вдохновленных и многофункциональных прозрачных подложек и барьерных слоев для оптоэлектроники. ACS NANO , 14(12), 16241-16265. Американское химическое общество (ACS). doi: 10.1021/acsnano.0c06452.

Хаганифар, С., Маккорт, М., Ченг, Б., Вуэншелл, Дж., Оходницки, П., и Леу, П.В. (2020). Обнаружение высокопроизводительных широкополосных и широкоугольных просветляющих поверхностей с помощью машинного обучения. OPTICA , 7(7), 784-789. Оптическое общество. doi: 10.1364/OPTICA.387938.

Сюй З., Чжоу З., Ли Б., Ван Г. и Леу П.В. (2020). Идентификация эффективных активных центров в легированных азотом углеродных нанотрубках для реакции восстановления кислорода. ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ C , 124(16), 8689-8696. Американское химическое общество (ACS). doi: 10.1021/acs.jpcc.9b11090.

Хаганифар, С., Маккорт, М., Ченг, Б., Вуэншелл, Дж., Оходницки, П., и Леу, П.В. (2019). Создание прочного, сверхомнифобного, сверхпрозрачного, сверхпрозрачного наноструктурированного стекла, вдохновленного бабочкой-стеклянным крылом, с помощью байесовского обучения и оптимизации. МАТЕРИАЛЫ ГОРИЗОНЫ , 6 (8), 1632-1642. Королевское химическое общество (RSC). дои: 10.1039/c9mh00589g.

Хаганифар С., Томасович Л.М., Галанте А.Дж., Пеккер Д. и Леу П.В. (2019). Грязестойкие суперомнифобные гибкие оптические пластики на основе грибовидных структур нано-еноки. ЖУРНАЛ ХИМИИ МАТЕРИАЛОВ A , 7(26), 15698-15706. Королевское химическое общество (RSC). дои: 10.1039/c9ta01753d.

Чжоу З., Гао Т., Маккарти С., Козбиал А., Тан С., Пеккер Д., Ли Л. и Леу П.В. (2019). Парагидрофобность и прерывистое смачивание вертикально ориентированных лесов из углеродных нанотрубок. УГЛЕРОД , 152, 474-481.Elsevier BV. doi: 10.1016/j.carbon.2019.06.012.

Гао, Т., Хаганифар, С., Линдси, М.Г., Лу, П., Кайес, М.И., Пафчек, Б.Д., Чжоу, З., Оходницки, П.Р., и Леу, П.В. (2018). Основные пределы производительности и оценка мутности металлических наносетчатых прозрачных проводников. УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ , 6(9), 1700829.Wiley. дои: 10.1002/адом.201700829.

Хаганифар, С., Де Векчис, Р.Т.Р., Ким, К.Дж., Вуэншелл, Дж., Шарма, С.П., Лу, П., Оходницки, П., и Леу, П.В. (2018). Гибкая нанотрава с высочайшим сочетанием прозрачности и матовости для оптоэлектронных пластиковых подложек. НАНОТЕХНОЛОГИИ , 29(42), 42LT01.IOP Publishing. doi: 10.1088/1361-6528/aad671.

Хаганифар С., Лу П., Кайес М.И., Тан С., Ким К.Дж., Гао Т., Оходницки П. и Леу П.В. (2018). Самоочищающееся, с высокой светопроницаемостью, наноструктурированное стекло OTS/кремнезем, близкое к мутности. ЖУРНАЛ ХИМИИ МАТЕРИАЛОВ C , 6 (34), 9191-9199. Королевское химическое общество (RSC). дои: 10.1039/c8tc02513d.

Кайес М.И., Галанте А.Дж., Стелла Н.А., Хаганифар С., Шанкс Р.М.К. и Леу П.В. (2018). Стабильные иерархические поверхности в виде листьев лотоса, фторированные полипропиленовые поверхности для снижения адгезии бактерий. РЕАКТИВНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОЛИМЕРЫ , 128, 40-46. Elsevier BV. doi: 10.1016/j.reactfunctpolym.2018.04.013.

Нгуен, Т.Б., Лю, Д., Кайес, М.И., Ван, Б., Рашин, Н., Леу, П.В., и Тран, Т. (2018). Критическое усиление теплового потока при кипении в бассейне за счет увеличения повторного смачивания поверхностей массива наностолбиков. НАУЧНЫЕ ОТЧЕТЫ , 8(1), 4815. Springer Science and Business Media LLC. doi: 10.1038/s41598-018-22693-z.

Ван Б., Гао Т., Чжоу З., Брэдли П. и Леу П.В. (2018). Передние рассеивающие структуры для повышения производительности гибких сверхтонких кристаллических кремниевых солнечных элементов. JOURNAL OF PHOTONICS FOR ENERGY , 8(3), 1.SPIE-Intl Soc Optical Eng. doi: 10.1117/1.JPE.8.030501.

Гао, Т., Ван, Б., и Леу, П.В. (2017). Сэндвичи с плазмонной наносеткой для ультратонких пленочных кремниевых солнечных элементов. г. ЖУРНАЛ ОПТИКИ , 19(2), 025901.Издательство ИОП. дои: 10.1088/2040-8986/19/2/025901.

Хаганифар, С., Гао, Т., Де Векчис, Р.Т.Р., Пафчек, Б., Джейкобс, Т.Д.Б., и Леу, П.В. (2017). Сверхвысокая прозрачность, сверхвысокая мутность из нанотравы с переключаемой мутностью, вызванной жидкостью. OPTICA , 4(12), 1522-1525. Оптическое общество. doi: 10.1364/OPTICA.4.001522.

Хуанг П.С., Цинь Ф., Сюн З., Шим Х.В., Гао Т., Леу П. и Ли Дж.К. (2017). Новый механизм легирования носителей для прозрачного проводника: донорство электронов от встроенных наночастиц серебра в оксидную матрицу. ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES , 9(23), 19973-19979. Американское химическое общество (ACS). doi: 10.1021/acsami.7b03871.

Ван, Б., Чен, К.П., и Леу, П.В. (2016). Инженерные фотонно-кристаллические солнечные элементы с перевернутыми поленницами и поленницами для улавливания света. НАНОТЕХНОЛОГИИ , 27(22), 225404. Изд-во ИОП. дои: 10.1088/0957-4484/27/22/225404.

Ван Б., Гао Т. и Леу П.В. (2016). Усиление широкополосного поглощения света в ультратонких пленочных кристаллических кремниевых солнечных элементах с массивами наносфер с высоким показателем преломления. NANO ENERGY , 19, 471-475. Elsevier BV. doi: 10.1016/j.nanoen.2015.10.039.

Гао, Т., Хуанг, П.С., Ли, Дж.К., и Леу, П.В. (2015). Иерархические структуры металлических наносеток/микросеток для высокоэффективных прозрачных электродов. RSC ADVANCES , 5(87), 70713-70717. Королевское химическое общество (RSC). дои: 10.1039/c5ra14851k.

Гао, Т., Ли, З., Хуанг, П.С., Шеной, Г.Дж., Паробек, Д., Тан, С., Ли, Дж.К., Лю, Х., и Ли, П.В. (2015). Иерархические структуры сетки графена/металла для стабильных, гибких прозрачных проводников. ACS NANO , 9(5), 5440-5446. Американское химическое общество (ACS). doi: 10.1021/acsnano.5b01243.

Ван, Б., и Леу, П.В. (2015). Наносферические покрытия с высоким показателем преломления для улавливания света в тонкопленочных солнечных элементах из кристаллического кремния. NANO ENERGY , 13, 226-232.Elsevier BV. doi: 10.1016/j.nanoen.2014.10.040.

Ян А., Пул З.Л., Чен Р., Леу П.В., Оходницки П. и Чен К.П. (2015). Масштабируемое производство функциональных материалов на основе оксидов металлов и их применение в высокотемпературных оптических датчиках. JOM , 67(1), 53-58. ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа». doi: 10.1007/s11837-014-1235-1.

Дин, Б., Гао, Т., Ван, Ю., Вальдек, Д.Х., Леу, П.В., и Ли, Дж.К. (2014). Синергетический эффект поверхностных плазмонных частиц в солнечных элементах с гетеропереходом PbS/TiO2. СОЛНЕЧНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ , 128, 386-393.Elsevier BV. doi: 10.1016/j.solmat.2014.06.001.

Гао, Т., Стивенс, Э., Ли, Дж.К., и Леу, П.В. (2014). Разработка металлических полусфер на кремниевых ультратонких пленочных солнечных элементах для плазмонного захвата света. г. ОПТИЧЕСКИЕ ПИСЬМА , 39 (16), 4647-4650. Оптическое общество. doi: 10.1364/OL.39.004647.

Гао, Т., Ван, Б., Дин, Б., Ли, Дж.К., и Леу, П.В. (2014). Равномерные и упорядоченные медные наносетки методом литографии микросфер для прозрачных электродов. NANO LETTERS , 14(4), 2105-2110. Американское химическое общество (ACS). дои: 10.1021/nl5003075.

Кейс, М.И., и Леу, П.В. (2014). Сравнительное исследование поглощения в наклонных массивах кремниевых нанопроволок для фотовольтаики. ПИСЬМА О НАНОМАСШТАБНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ , 9(1), 620. Springer Science and Business Media LLC. дои: 10.1186/1556-276X-9-620.

Ван Б., Стивенс Э. и Леу П.В. (2014). Сильное широкополосное поглощение в массивах наноконусов и нанопроволок GaAs для солнечных элементов. Opt Express , 22 Suppl 2(S2), A386-A395. doi: 10.1364/OE.22.00A386.

Гао Т. и Леу П.В. (2013). Массивы медных нанопроволок для прозрачных электродов. ЖУРНАЛ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ , 114(6), 063107. Издательство АИП. дои: 10.1063/1.4818498.

Гао Т. и Леу П.В. (2013). Роль распространяющихся мод в массивах серебряных нанопроволок для прозрачных электродов. Opt Express , 21 Suppl 3(S3), A419-A429. doi: 10.1364/OE.21.00A419.

Хуа, Б., Ван, Б., Ю, М., Леу, П.В., и Фан, З. (2013). Рациональный геометрический дизайн наностолбиков разного диаметра для эффективного сбора света. NANO ENERGY , 2(5), 951-957.Elsevier BV. doi: 10.1016/j.nanoen.2013.03.016.

Ван, Б., и Леу, П.В. (2012). Повышенное поглощение в массивах кремниевых наноконусов для фотогальваники. НАНОТЕХНОЛОГИИ , 23(19), 194003. Издательство ИОП. дои: 10.1088/0957-4484/23/19/194003.

Ван, Б., и Леу, П.В. (2012). Перестраиваемое и селективное резонансное поглощение в вертикальных нанопроволоках. ОПТИКА ПИСЬМА , 37 (18), 3756-3758. Оптическое общество. doi: 10.1364/OL.37.003756.

ВАНГ Б., ГАО Т. и ЛЕУ П.В. (2012). ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАНОСТРУКТУРНЫХ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. Nano LIFE , 02(02), 1230007.World Scientific Pub Co Pte Lt. doi: 10.1142/s1793984411000517.

Fan Z., Kapadia R., Leu P., Zhang X., Chueh Y.L., Takei K., Yu K., Jamshidi A., Rathore A.A., Ruebusch D.J. , Ву, М., и Джави, А. (2010). Упорядоченные массивы наностолбиков двойного диаметра для максимального оптического поглощения. Нанобуквы . дои: 10.1021/n11010788.

Фан, З., Кападиа, Р., Леу, П.В., Чжан, X., Чуэ, Ю.Л., Такей, К., Ю, К., Джамшиди, А., Ратор, А.А., Рюбуш, Д.Дж., Ву, М. и Джави А. (2010). Упорядоченные массивы наностолбиков двойного диаметра для максимального оптического поглощения. NANO LETTERS , 10(10), 3823-3827. Американское химическое общество (ACS). дои: 10.1021/nl1010788.

Ко Х., Такей К., Кападиа Р., Чуанг С., Фанг Х., Леу П.В., Ганапати К., Плис Э., Ким Х.С., Чен С.Ю., Мэдсен , М., Форд, А.С., Чуэ, Ю.Л., Кришна, С., Салахуддин, С., и Джавей, А. (2010). Ультратонкий составной полупроводник на изоляторных слоях для высокопроизводительных нанотранзисторов. NATURE , 468(7321), 286-289. Springer Science and Business Media LLC. дои: 10.1038/nature09541.

Макинтайр, П.К., Адхикари, Х., Голдторп, И.А., Ху, С., Леу, П.В., Маршалл, А.Ф., и Чидси, К.Э.Д. (2010). Массивы полупроводниковых нанопроволок группы IV: эпитаксия в разных контекстах. ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ НАУКА И ТЕХНИКА , 25(2), 024016. Изд-во ИОП. дои: 10.1088/0268-1242/25/2/024016.

Такей, К., Такахаши, Т., Хо, Дж. К., Ко, Х., Гиллис, А. Г., Леу, П. В., Фиринг, Р. С., и Джавей, А. (2010). Схема активной матрицы нанопровода для низковольтной искусственной кожи макромасштаба. НАТУРАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ , 9(10), 821-826. Springer Science and Business Media LLC. DOI: 10.1038/nmat2835.

Фан, З., Разави, Х., До, Дж.В., Мориваки, А., Эрген, О., Чуэ, Ю.Л., Леу, П.В., Хо, Дж.К., Такахаши, Т., Рейхертц, Л.А., Нил, С. ., Ю, К., Ву, М., Агер, Дж. В., и Джави, А. (2009). Трехмерная фотоэлектрическая матрица наностолбов на недорогих и гибких подложках. НАТУРАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ , 8(8), 648-653. Springer Science and Business Media LLC. дои: 10.1038/NMAT2493.

Фан, З., Рюбуш, Д.Дж., Ратор, А.А., Кападия, Р., Эрген, О., Леу, П.В., и Джави, А. (2009). Проблемы и перспективы солнечных батарей на основе наностолбиков. NANO RESEARCH , 2(11), 829-843. Springer Science and Business Media LLC. doi: 10.1007/s12274-009-9091-y.

Хо, Дж. К., Форд, А. К., Чуэ, Ю. Л., Леу, П. В., Эрген, О., Такей, К., Смит, Г., Маджи, П., Беннетт, Дж., и Джавей, А. (2009 г.) ). Наноразмерное легирование InAs монослоями серы. ПРИКЛАДНАЯ ФИЗИКА БУКВЫ , 95(7), 072108. Издательство АИП. дои: 10.1063/1.3205113.

Ху, С., Леу, П.В., Маршалл, А.Ф., и Макинтайр, П.К. (2009). Монокристаллические слои германия, выращенные на кремнии методом затравки нанопроволокой. ПРИРОДНЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ , 4(10), 649-653. ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа». doi: 10.1038/nnano.2009.233.

Ко, Х., Ли, Дж., Шуберт, Б.Е., Чуэ, Ю., Леу, П., Страшный, Р.С., и Джави, А. (2009). Гибридные леса нанопроводов ядро-оболочка как самоселективные химические соединители. Нано Письма , 9 (5), 2054-2058. doi: 10.1021/n1^3b.

Ко, Х., Ли, Дж., Шуберт, Б.Е., Чуэ, Ю.Л., Леу, П.В., Страшный, Р.С., и Джави, А. (2009). Гибридные леса нанопроводов ядро-оболочка как самоселективные химические соединители. NANO LETTERS , 9(5), 2054-2058. Американское химическое общество (ACS). doi: 10.1021/nl^3b.

Кото, М., Леу, П.В., и Макинтайр, П.К. (2009). Вертикальные массивы германиевых нанопроволок в микрожидкостных каналах для обнаружения заряженных молекул. г. ЖУРНАЛ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ОБЩЕСТВА , 156(2), К11-К16. Электрохимическое общество. дои: 10.1149/1.3033522.

Леу, П., Свиженко, А., и Чо, К. (2008). Ab Initio исследование механических и электронных свойств натянутых кремниевых нанопроволок. Physical Review B , 77(23).

Леу, П.В., Адхикари, Х., Кото, М., Ким, К.Х., де Руффиньяк, П., Маршалл, А.Ф., Гордон, Р.Г., Чидси, К.Э.Д., и Макинтайр, П.К. (2008). Вертикальные германиевые нанопроволочные структуры, инкапсулированные в оксиде, и их транспортные свойства на постоянном токе. НАНОТЕХНОЛОГИИ , 19(48), 485705.Издательство ИОП. дои: 10.1088/0957-4484/19/48/485705.

Леу, П.В., Свиженко, А., и Чо, К. (2008). Ab initio расчеты механических и электронных свойств напряженных кремниевых нанопроволок. PHYSICAL REVIEW B , 77(23). Американское физическое общество (APS). doi: 10.1103/PhysRevB.77.235305.

Свиженко, А., Леу, П.В., и Чо, К. (2007). Влияние ориентации роста и шероховатости поверхности на электронный транспорт в кремниевых нанопроволоках. PHYSICAL REVIEW B , 75(12), 125417. Американское физическое общество (APS). doi: 10.1103/PhysRevB.75.125417.

Леу, П.В., Шан, Б., и Чо, К. (2006). Поверхностный химический контроль электронной структуры кремниевых нанопроволок: расчеты функционала плотности. PHYSICAL REVIEW B , 73(19). Американское физическое общество (APS). doi: 10.1103/PhysRevB.73.195320.

Повышение эффективности прозрачных проводящих электродов из металлических нанопроволок за счет мезомасштабных металлических проволок

Abstract

Двумя основными критериями для прозрачных проводящих электродов в оптоэлектронных устройствах являются поверхностное электрическое сопротивление и оптическое пропускание. Недавно было продемонстрировано, что металлические нанопроволоки являются многообещающим типом прозрачного проводящего электрода благодаря низкому поверхностному сопротивлению и высокому коэффициенту пропускания. Здесь мы включаем мезомасштабную металлическую проволоку (диаметром 1–5 мкм) в прозрачные проводящие электроды из металлической нанопроволоки и демонстрируем снижение поверхностного сопротивления по крайней мере на один порядок при заданном коэффициенте пропускания. Мы экспериментально реализуем гибрид мезо- и наноразмерных металлических нанопроволок с высокими характеристиками, в том числе поверхностным сопротивлением 0,36 Ом кв.0018 -1 и коэффициент пропускания 92%. Кроме того, мезомасштабные металлические проволоки применяются для широкого спектра прозрачных проводящих электродов, включая проводящие полимеры и оксиды, с улучшением на несколько порядков. Металлические мезопровода могут быть синтезированы методами электроформования, а их общая применимость открывает возможности для многих применений прозрачных проводящих электродов.

У вас есть полный доступ к этой статье через ваше учреждение.

Скачать PDF

Скачать PDF

Введение

Прозрачные проводящие электроды (ТСЕ) являются важными компонентами многочисленных оптоэлектронных устройств, требующих переноса как электронов, так и фотонов, включая солнечные элементы, дисплеи, сенсорные экраны и интеллектуальные окна ^1,2,3,4,5 . В последнее время активизировались усилия по разработке ТВК наноматериалов, включая углеродные нанотрубки (УНТ) 9 .0018 1,6,7,8,9 , графен ^{4,10,11,12,13} , металлические нанопроволоки ^{14,15,16,17,18,19,20,21} и наночастицы ^22,23 для замены обычных пленок из оксида индия и олова (ITO), чтобы обеспечить низкую стоимость и механическую гибкость при сохранении низкого поверхностного сопротивления ( R _s ) и высокого коэффициента пропускания ( T ). Для активных слоев многих устройств электрическая проводимость боковой поверхности достаточна для переноса электронов только локально от нескольких сотен нм до нескольких микрон без серьезных омических потерь, поэтому сопряжение с внешним соединением требует дополнительных ТВЭ с хорошей R _с –T производительность. Основываясь на структуре электрода, существует два типа ТВК: тип I основан на непрерывных пленках, таких как ITO, оксид цинка, легированный алюминием (AZO), новый оксид, металлические тонкие пленки, графен большой площади и проводящие полимеры. При T =90%, R _с значения для хорошего ITO составляют 5–20 Ом кв ⁻¹ , для графена 30–1000 Ом кв ^–1 и для проводящих полимеров −1 , соответственно ^{4,10,24,25,26,27,28,29,30} . Тип II основан на сетях одномерных (1D) наноматериалов, включая УНТ, графеновые наноленты, металлические нанопроволоки и нанопроволоки оксидов и других соединений. При T = 90%, R _S Значения для CNT составляют 60–400 Ом кв. −1 и для оксидных нанопроволок 2000–10 000 Ом кв ⁻¹ (ссылки 1, 15, 17, 21, 31, 32, 33, 34). Металлические нанопроволоки ТВК показали большие перспективы в достижении отличных характеристик из-за высокой проводимости металлов. Для улучшения характеристик использовались различные методы, в том числе увеличение длины нанопроволоки для увеличения расстояния транспортировки ^21,32 , уменьшение диаметра для уменьшения светорассеяния и отжиг места соединения нанопроволоки для снижения сопротивления термо-, электрохимической или наноплазмонной сваркой ^14,31,35 . Наилучшие характеристики ТВК с металлическими нанопроволоками достигли R _с = 10 Ω sq ⁻¹ при T = 90% (ссылка 32). Фундаментальный вопрос заключается в том, как улучшить характеристики металлических нанопроволок с большим скачком. Это важно, так как может снизить потери мощности во многих оптоэлектронных устройствах.

Здесь мы вводим концепцию мезомасштабной металлической проволоки в сочетании с сетями металлических нанопроволок, чтобы реализовать снижение поверхностного сопротивления на порядок при заданном коэффициенте пропускания. С помощью компьютерного моделирования мы впервые прогнозируем чрезвычайное улучшение характеристик мезомасштабных металлических проводов. Затем эта мезомасштабная концепция металлических проводов реализуется с помощью литографии, в которой мы демонстрируем сеть металлических проводов TCE, имеющую производительность до 0,36 Ом кв.0018 -1 поверхностного сопротивления и 92% коэффициента пропускания. Электрохромные устройства демонстрируют значительно улучшенное время переключения цвета за счет применения мезомасштабных металлических проводов. Эти результаты доказывают применимость мезомасштабных металлических проводов и их преимущества для повышения энергоэффективности современных оптоэлектронных устройств.

Результаты

Мезомасштабные металлические проволоки

Фундаментальная концепция использования мезомасштабных металлических проволок проиллюстрирована на рис. 1а, где мезомасштабные проволоки имеют ширину от 1 до 5  мкм. Мы называем эти металлические провода мезомасштабными, так как их ширина и расстояние находятся между двумя типами электрических соединений в оптоэлектронных устройствах TCE с нанопроволоками: металлическими нанопроволоками и макроскопическими металлическими линиями. Во-первых, мезоразмерные проволоки на порядок больше, чем металлические нанопроволоки (50–300 нм), хотя они на один порядок меньше, чем макроскопические металлические линии (~50 мкм), которые обычно изготавливаются трафаретной печатью в устройствах с солнечными батареями. Во-вторых, расстояние между мезоразмерными проволоками здесь составляет несколько сотен мкм, тогда как расстояние между нанопроволоками составляет от нескольких сотен нм до нескольких мкм, а расстояние между макроскопическими проволоками составляет несколько мм. Расстояние между металлическими проводами определенной ширины обычно поддерживается выше определенных значений, чтобы поддерживать адекватный оптический коэффициент пропускания в зависимости от различных применений. При объединении мезоразмерных проводов с нанопроводами и макроскопическими проводами мы можем способствовать электронной проводимости в нескольких масштабах длины с минимальными потерями мощности. Здесь сетям нанопроволок больше не нужно транспортировать электроны на расстояние в несколько миллиметров, как в комбинации только нанопроволок и макроскопических металлических проволок. Нанопроволоки здесь должны транспортировать электроны только на расстояние в несколько сотен микрон, тогда как транспорт электронов на расстояние в несколько миллиметров осуществляется мезопроводами с гораздо более высокой проводимостью.

Рисунок 1: Мезомасштабная концепция TCE сети из металлических проводов.

( a ) Схема мезомасштабной конструкции (не в масштабе). Мезомасштабная сеть металлических проволок между прозрачным электродом из нанопроволоки и макропроволоками (металлическими пальцами) может сократить расстояние транспортировки носителя и повысить производительность R _s – T . ( b ) Моделирование R _s – T Изгибы металлической проволоки различного диаметра. Расстояние между проводами составляет 5, 10, 50, 100, 500, 1000 и 5000 мкм. Для 100-нм нанопроволок также включен интервал 1 мкм. ( c ) Моделирование R _s – T исполнение металлического проволочного прозрачного электрода с мезомасштабным слоем металлической микропроволоки. Диаметр металлических нанопроволок и расстояние между ними составляют 50 нм и 5 мкм соответственно. Шаг металлических мезомасштабных проволок составляет 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450 и 500 мкм.

Полноразмерное изображение

R _s –T моделирование

Важные преимущества введения мезомасштабных проволок в нанопроволоки и макроскопические проволоки для формирования многомасштабных сетей можно понять из R _s –T моделирование производительности. На рис. 1b показаны результаты моделирования при использовании только одной шкалы параллельных проволочных решеток. Здесь мы используем провода квадратного сечения для простоты демонстрации тренда. Диаметры составляют 100 нм для нанопроволок, 5 мкм для мезоразмерных проволок и 50 мкм для макроскопических проволок соответственно. Точки данных на каждой кривой представляют различные расстояния между проводами, которые составляют 5, 10, 50, 100, 500, 1000 и 5000 мкм. Для 100-нм нанопроволок также включен интервал 1 мкм, чтобы лучше показать тенденцию кривой. Для оптического пропускания используется геометрическая оптика для мезо- и макромасштабных проводов, поскольку их диаметры и расстояния между ними намного больше, чем длина волны, а для нанопроводов используется строгий анализ связанных волн. Для моделирования поверхностного сопротивления используется типичное объемное сопротивление металла (см. Методы). Есть интересное наблюдение из этой симуляции. Когда расстояния между проволоками достаточно велики, только все три шкалы проволок могут иметь высокое значение 9.1850 Т >95%. Интервалы должны быть > 1000 мкм для макроразмеров, > 100 мкм для мезомасштаба и > 5 мкм для наноразмерных проводов соответственно. Однако R _s at T >95% приходится на совершенно разные режимы для этих трех масштабов проводов: 10 ⁻³ –10 ⁻¹ Ом кв ⁻¹ для макромасштаба, 18 − 900 2 –10 ¹ Ом кв ⁻¹ для мезомасштаба, 10 ¹ –10 ⁴ Ом кв ⁻¹ для наномасштаба соответственно. Только из R _s –T макропроволоки лучше, чем более мелкие, так как R _s имеет квадратичную зависимость от диаметра, тогда как T имеет только линейную зависимость в режиме диаметра и расстояние намного больше, чем длина волны света. Однако для транспортировки электронов в локальные области оптоэлектронных устройств или из них требуются провода малого диаметра (нанопровода), поскольку расстояния в проводах макромасштаба слишком велики для выполнения этой функции и вызовут огромные омические потери. С другой стороны, судя по показанным выше зазору и поверхностному сопротивлению, сами по себе нанопроволоки имеют худшие R _s – T производительность и, следовательно, недостаточно эффективны для переноса электронов в макроскопические провода или из них. Интеграция мезоразмерных проводов и нанопроводов сочетает в себе оба преимущества: высокую производительность и локальную проводимость. Это позволит эффективно снизить потери мощности даже в режиме высокого коэффициента пропускания.

На рис. 1c показано значительное улучшение массивов нанопроволок за счет включения мезоразмерных проволок. Здесь мы выбрали размер прозрачного электрода из массива параллельных нанопроволок равным 50 нм в диаметре и 5 мкм в промежутке между проводами и рассчитали его ( R _s , T )=(34 Ом кв ⁻¹ , 98%) и применили параллельные мезомасштабные массивы металлических проволок с различными диаметрами (1, 2, 3, 4 и 5  мкм) для формирования двухшкальный гибридный прозрачный электрод из металлической проволоки. Расстояние между мезомасштабными проволоками варьируется от 100 до 500 мкм (см. Подпись к рисунку). Результат доказывает эффективность мезомасштабной металлопроволочной сети. Например, когда мезомасштабная проволочная решетка диаметром 5 мкм имеет шаг 500 и 100 мкм, R _s – T производительность повышена с (34 Ω кв. ⁻¹ , 98%) только для нанопроволоки до (0,34 Ω кв. 93%) для гибридных проводов соответственно, что в 100–1000 раз больше проводимости, но лишь незначительное падение T . Такой высокий уровень производительности R _s – T не наблюдался ни в одном из предыдущих исследований.

Металлические мезопроволоки, объединенные с ТВК нанопроволоки

Чтобы экспериментально продемонстрировать важность концепции мезомасштабной проволоки, электронно-лучевая литография была использована для изготовления массива золотых нанопроволок (AuNW) на кварцевых пластинах, а затем массива медных мезопроволок (CuMW), изготовленного фотолитография с направлением, перпендикулярным нанопроволоке, как показано на рис. 2а. Изготовленные провода имеют прямоугольную форму. Размеры AuNW составляют 270 нм в ширину (дополнительный рисунок S1), 120 нм в высоту и 5 мкм на расстоянии, а размеры CuMW имеют ширину 5 мкм и толщину 2,8 мкм с расстоянием от 200 до 500 мкм. (подробности в подписи к рисунку). Как показано на рис. 2b, R 91 593 90 172 с 90 173 – 91 850 T 91 593 производительность одного массива AuNW составила 91 850 R 91 593 90 172 с 90 173 =7,2 Ом кв ⁻¹ и T = 95 %, тогда как гибридное оптическое моделирование AuNW и CuMW могут достигать 0,36 Ω sq ⁻¹ при T = 92%, показывая улучшение на порядок величины R _s с небольшим изменением T . Этот результат показывает, что мезомасштабная конструкция может значительно превзойти традиционный предел однослойных прозрачных электродов.

Рисунок 2: ТВК с металлической проволокой в ​​мезо- и наномасштабе.

( a ) СЭМ-изображения сети металлических проводов, состоящей из AuNW и CuMW. Масштабная линейка составляет 400  мкм. ( b ) Измерено R _s – T производительность массивов нанопроволок и прозрачного электрода из мезомасштабной металлической сети. Размеры AuNW составляют 270 нм в ширину, 120 нм в высоту и расстояние между ними 5 мкм, а CuMW имеют ширину 5 мкм, толщину 2,8 мкм и расстояние между ними 200, 300, 400 и 500 мкм. Мезомасштабный слой CuMW значительно снижает поверхностное сопротивление массивов AuNW. Другие типы прозрачных электродов, включая AgNW ³² , ITO ^43,44 , графен ⁴ и УНТ ⁴⁵ также были включены для сравнения.

Увеличенное изображение

Мы отмечаем, что ранее сообщалось о микромасштабных прозрачных электродах из металлической проволоки ^36,37 . Однако усовершенствование R _s – T не было таким заметным, как наша работа. Ключевое отличие заключается в толщине мезопроводов. Поскольку увеличение толщины не оказывает существенного влияния на коэффициент пропускания, для высокопроводящего мезопровода толщина должна быть сравнима с шириной; следовательно, поверхностное сопротивление можно уменьшить без ущерба для коэффициента пропускания.

Электроформованные металлические мезопровода

Для более простой демонстрации конструкции нашей мезомасштабной металлической сети без использования литографии мы разработали процесс электроформования для производства сверхдлинных медных мезомасштабных проводов диаметром ~1  мкм, которые использовались в сочетании с Ag. нанопроводные сети, ранее разработанные нашей группой и др. ^{2,14,31,32,38} . Электропрядение — это мощный метод производства полимерной проволоки диаметром от менее 100 нм до нескольких микрометров. В последнее десятилетие он также использовался для производства проводов из различных неорганических материалов 9.0018 39 . Наша группа ранее использовала электропрядение для изготовления нанопроволок Cu для прозрачных электродов ^15,16 . Здесь мы расширяем этот метод для изготовления мезомасштабных проводов большего диаметра. Технологический процесс показан на рис. 3. Сначала в качестве проволочного коллектора использовалась заземленная металлическая деталь, а электрическое поле, образованное двумя краями посередине, может выровнять электроспряденные полимерные нанопровода через зазор шириной 1 дюйм ⁴⁰ . Затем на нанопроволоки с помощью термического испарения наносили медь толщиной 1 мкм, чтобы сформировать отдельно стоящие и выровненные CuMW. Плотность проволоки и, следовательно, расстояние между ними можно легко контролировать с помощью периода времени электропрядения. Это особенно выгодно по сравнению с дорогостоящим процессом фотолитографии. На этапе переноса на подложку из серебряной нанопроволоки (AgNW) наносили спирт, чтобы растворить полимерное ядро, а также создать капиллярную силу, притягивающую CuMW к подложке во время испарения растворителя. За этапом переноса следует процесс вальцевания, чтобы дополнительно обеспечить контакт между пересекающимися проводами. Последующий отжиг сплавляет как соединения AgNW-AgNW, так и соединения AgNW-CuMW, тем самым создавая непрерывный проводящий путь. Выровненная конфигурация прозрачных электродов AgNW-CuMW охарактеризована с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), как показано на рис. 4а. Для демонстрации сплавленного соединения между CuMW и AgNW использовалась жертвенная полимерная пленка для последующего отрыва сети AgNW-CuMW; следовательно, мы могли охарактеризовать морфологию с обратной стороны. Как показано на рис. 4б, CuMW и пересекающиеся AgNW вплавлены друг в друга, что гарантирует низкое контактное сопротивление между наноразмерным слоем и мезоразмерным слоем. Дополнительные изображения SEM включены в дополнительный рисунок S2. Отдельно стоящие электроды CuMW, полученные методом электропрядения, также можно применять для других типов прозрачных электродов. Эта большая универсальность делает нашу мезомасштабную концепцию применимой к различным типам оптоэлектронных устройств с особыми требованиями к прозрачному электроду, например, к положению зоны проводимости/валентной зоны, буферному слою и т. д. Здесь мы перенесли CuMW не только на сеть AgNW, но также на ITO, AZO, поли(3,4-этилендиокситиофен):поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS) и подложки из чистого стекла и сравнили их R _s – T исполнения (рис. 4в). Результат показывает высокую эффективность CuMW в улучшении характеристик различных прозрачных электродов. ( R _s , T ) только CuMW лежат в диапазоне от 0,15 Ом кв. время электроспиннинга. После включения обычных TCE с CuMW все поверхностные сопротивления образца были улучшены до менее 0,4 Ω кв. 9.0018 -1 , с изменением коэффициента пропускания <3%. На основе сдвига значения ( R _s , T ) среднее ( R _s , T ) электропряденных CuMW может быть рассчитано как , 97,1±0,6%), что вновь демонстрирует выдающиеся характеристики мезомасштабных металлопроводных сетей. Перекрестный массив CuMW также можно создать, дважды выполнив процесс передачи в ортогональных направлениях, как показано на дополнительном рисунке S3. Поскольку основные TCE и CuMW находятся в параллельной конфигурации, результирующее поверхностное сопротивление сдвинуто ближе к значениям CuMW, а коэффициент пропускания является произведением TCE и CuMW. Эти многообещающие результаты доказывают, что наша концепция мезомасштабной сети из металлических проводов совместима с традиционными ТВК. Использование отдельно стоящих CuMW электропрядения в качестве простого, но эффективного подхода позволяет значительно снизить потери мощности TCE.

Рисунок 3: Включение металлических мезопроводов с помощью электропрядения.

Во-первых, полимерные нанопроволоки электропрядут и выравнивают по заземленному коллектору. Коллектор имеет два параллельных края, отстоящих друг от друга на 1 дюйм. Термическое напыление меди применялось на полимерных нанопроволоках толщиной до 1 мкм. Затем эти отдельно стоящие CuMW были перенесены на готовый прозрачный электрод AgNW с последующим прессованием валком и отжигом Ar для сплавления соединения.

Полноразмерное изображение

Рисунок 4: R _s – T Повышение производительности различных видов ТВК.

( a ) СЭМ-изображение выровненных CuMW и лежащих в их основе AgNW. Масштабная линейка составляет 20  мкм. ( b ) Наклонный вид соединения CuMW/AgNW с большим увеличением. Масштабная линейка составляет 1  мкм. Обратите внимание, что для наблюдения перехода, расположенного ниже CuMW, сеть металлических проводов была снята с исходной подложки и перевернута на обратную сторону. ( c ) R _s – T характеристики электропрядения медно-волокнистых сплавов и усовершенствование различных видов прозрачных электродов. Все прозрачные электроды значительно улучшаются после добавления мезомасштабного слоя металлической проволоки. Их поверхностное сопротивление уменьшается до <0,4 Ом кв ^-1 при изменении коэффициента пропускания всего <3%.

Изображение полного размера

Демонстрация электрохромного устройства

Электрохромные устройства на основе PEDOT были собраны для демонстрации эффективности наших мезопроводов с точки зрения времени отклика окрашивания. Для PEDOT цвет светло-голубой при +0,2 В и темно-синий при -0,4 В. Циклическую вольтамперометрическую диаграмму и положения окислительно-восстановительных пиков можно найти в другой литературе ⁴¹ . Здесь потенциал электрохромного устройства ПЭДОТ переключается между +0,2 и -0,4  В. Потенциал переключается мгновенно; однако для завершения перехода в цветовое состояние требуется время из-за кинетики процессов легирования и делегирования внутри электрохромного материала. На рис. 5 мы измеряем реакцию коэффициента пропускания на циклы потенциала. Результат ясно показывает гораздо более короткое время переключения цвета при использовании CuMW/ITO в качестве прозрачного электрода по сравнению с использованием только ITO. Возьмем, к примеру, отбеливание; время переключения (Δ т _{отбеливатель} ) для достижения 90% изменения цветового состояния для ITO — 12,2 с; однако CuMW/ITO занимает всего 3,1 с, что в четыре раза быстрее. Хотя ступени потенциала одинаковы, более низкое омическое сопротивление прозрачной проводящей подложки приводит к более высокому току, и, таким образом, процессы окрашивания и обесцвечивания протекают быстрее с прозрачным электродом CuMW/ITO. Кроме того, более низкое поверхностное сопротивление означает меньшее рассеивание мощности и более высокую энергоэффективность. Поскольку электрохромные устройства обычно используются в качестве интеллектуальных окон большой площади, изменение времени переключения цвета и рассеиваемой мощности из-за различных R _s – T производительность будет еще значительнее. Видео с параллельным сравнением можно найти в дополнительном фильме S1. Эта демонстрация электрохромного устройства еще раз служит веским доказательством преимущества металлических мезопроводов.

Рис. 5: Демонстрация электрохромного устройства.

( a ) Нормализованная характеристика пропускания электрохромного устройства PEDOT:PSS в зависимости от времени. Потенциал PEDOT переключается между +0,2 В (отбеленный) и -0,4 В (цвет) в зависимости от Ag/AgCl, а продолжительность составляет 30 с. Время переключения цвета прозрачного электрода ITO/CuMW намного меньше, чем ITO. ( b ) Фотография экспериментальной установки и сравнение состояния цвета (-0,4 В) и состояния обесцвечивания (+0,2 В). Компоненты слева направо: графитовый противоэлектрод, тонкая электрохромная пленка PEDOT:PSS и электрод сравнения Ag/AgCl. Электролит представляет собой 1 M LiClO ₄ в ацетонитриле. Размер электрохромного образца 1 × 2,54 см ² .

Изображение в натуральную величину

Обсуждение

С помощью моделирования и экспериментов мы продемонстрировали мощную концепцию мезомасштабной металлической проволоки для снижения поверхностного сопротивления нанопроволоки TCE на несколько порядков с небольшим снижением оптического пропускания. Мезоразмерные металлические проволоки диаметром в несколько микрометров обеспечивают большую площадь поперечного сечения для транспорта электронов, тем самым улучшая R _s – T производительность. Благодаря включению мезомасштабных металлических проволок различные типы TCE демонстрируют значительное улучшение характеристик, например AgNW, ITO и PEDOT:PSS. Носители сначала транспортируются в пределах нижележащего ТВЭ только на несколько 100 мкм, а затем собираются и транспортируются в высокопроводящие мезопровода; следовательно, омические потери могут быть значительно уменьшены. В электрохромных устройствах более низкие омические потери приводят к более высокому току и более высокой скорости переключения цвета, что желательно в практическом применении. Эта мезомасштабная конструкция из металлической проволоки также может быть материализована с помощью техники электропрядения без использования теневых масок или литографии. Мы считаем, что выдающиеся характеристики и широкая применимость нашей мезомасштабной концепции металлической проволоки могут предоставить большие возможности для повышения энергоэффективности оптоэлектронных устройств.

Методы

R _s – T моделирование

Для простоты поперечное сечение металлических проводов примем квадратной формы с длиной стороны a . Для 100-нм проволочных сборок моделирование оптического пропускания было выполнено с использованием строгого анализа связанных волн. Затем спектры пропускания (400–1100 нм) были взвешены для солнечного спектра AM1,5, чтобы получить среднее значение пропускания, T _AM1,5 . Для проволочных сборок размером более 1  мкм оптический коэффициент пропускания рассчитывался по геометрическим потерям в тени, т. е. T=S/(S+a) × 100%, где S — расстояние между проводами. Для моделирования поверхностного сопротивления в предположении о постоянной электропроводности мы можем получить R _с = ρ ( S+a )/ a ² , где

ρ = ≥ 6,859 Ом. нм.

Литографически изготовленная сеть металлических проволок

Массивы нанопроволок были изготовлены на кварцевых пластинах с помощью стандартной электронно-лучевой литографии с использованием ММА/ПММА (MicroChem) в качестве электронно-лучевого резиста с последующим термическим испарением хрома/золота (7 нм/120 нм) и процесс отрыва в ацетоне. Размер массива 5 × 5 мм ² . Мезомасштабные проволочные массивы были изготовлены на том же образце методом фотолитографии с использованием фоторезиста SPR220 размером 7 мкм. Ориентация была ортогональной массивам золотых нанопроволок, ранее изготовленным с помощью электронно-лучевой литографии. Затем хром/медь (7 нм/2,8 мкм) подвергали термическому испарению с последующим процессом отрыва в ацетоне.

Металлические мезопроволоки, выпаренные методом электропрядения

Четырнадцать массовых % поливинилпирролидона (ПВП, MW=1,3 × 10 ⁶ г моль ⁻¹ , Acros) и безводный этанол (Sigma-Aldrich, 99,5 %) готовили растворы для электроформования. Раствор загружали в шприц с наконечником иглы, который подключали к источнику напряжения (ES30P-5W, Gamma High Voltage Research). Приложенный потенциал на игле составлял +4 кВ. Расстояние между кончиком иглы шприца и заземленным коллектором составляло 15 см, а скорость нагнетания составляла 0,15 мл ч ^-1 . Высокий электрический потенциал и поверхностные заряды вытягивали полимерные нанопроволоки из капли перед иглой, и нанопроволоки притягивались к коллектору, образуя свободно стоящие нанопроволоки, лежащие поперек двух краев коллектора. Для желаемой плотности нанопроволок можно выбрать различное время электропрядения. Термический испаритель (M. Braun) был затем использован для осаждения меди на электроспряденные нанопроволоки. Семь нанометров Cr (Курт Дж. Лескер) были нанесены на электроспряденные нанопроволоки сначала для лучшей адгезии, а затем 1  мкм Cu (99,99%, Курт Дж. Лескер). Несколько капель этанола наносили на поверхность готовых прозрачных электродов перед переносом на них CuMW. Каландровая машина (MTI Corp.) использовалась для обеспечения лучшего физического контакта между CuMW и прозрачным электродом. Последующий отжиг при 200 °C в течение 40 мин в атмосфере аргона применяли для сплавления спая.

Прозрачные электроды из AgNW

Метод синтеза AgNW можно найти в других статьях ⁴² . Смесь 0,334 г ПВП и 20 мл этиленгликоля (Sigma-Aldrich) нагревали при 170 °C в трехгорлой стеклянной колбе, затем 0,025 г хлорида серебра (Sigma-Aldrich) тонко измельчали ​​и добавляли в колбу. для начального зародышеобразования серебряных семян. Через 3 мин 0,110 г нитрата серебра (Sigma-Aldrich), фактического источника серебра, титровали в течение 10 мин, после чего дополнительно нагревали в течение 30 мин для завершения реакции. Затем раствор охлаждали и трижды центрифугировали при 6000 об/мин. в течение 30 мин для удаления этиленгликоля, ПВП и других примесей из супернатанта. После окончательного центрифугирования осадки AgNW редиспергировали в 30 мл метанола. Прозрачные электроды были изготовлены путем центрифугирования (WS-400-6NPP, Laurell) дисперсии AgNW, а их коэффициент пропускания и поверхностное сопротивление регулировались концентрациями, скоростью вращения и временем центрифугирования.

Прозрачные электроды AZO

Слои AZO наносили методом атомно-слоевого осаждения ¹⁶ (Savannah, Cambridge NanoTech) с триметилалюминием (97%, Sigma-Aldrich) и диэтилцинком (DEZ, Zn 52,0 мас. %, Sigma-Aldrich) в качестве прекурсоры. Температура осаждения составляла 150 °C, давление холостого хода 0,5 Торр. Один цикл ZnO или Al ₂ O ₃ выполняли с помощью 15-мс импульса воды, за которым следовал 15-мс импульс DEZ или триметилалюминия, и камере давали возможность прокачиваться в течение 20 с для удаления избыточных прекурсоров. Один суперцикл AZO достигается за счет 25 циклов ZnO и одного цикла Al ₂ O ₃ цикл. Коэффициент пропускания и поверхностное сопротивление контролировали с помощью различных количеств суперциклов.

Прозрачные электроды из ITO

Тонкая пленка ITO была покрыта методом напыления (ATC Orion, AJA International Inc.). Коммерческая мишень ITO была распылена с использованием ВЧ-мощности 125 Вт при 2,5 м Торр в среде Ar / O ₂ в течение разных периодов времени для синтеза тонкой пленки ITO с различным поверхностным сопротивлением. Расходы Ar и O ₂ были 19 и 1 sccm соответственно.

Прозрачные электроды PEDOT:PSS

PEDOT:PSS (водный раствор 1,3 мас.%, Sigma-Aldrich) был приобретен у Sigma-Aldrich. Прозрачные электроды были изготовлены методом центрифугирования раствора PEDOT:PSS на предметных стеклах при 4000 об/мин. на 30 с. Коэффициент пропускания и сопротивление листа контролировались разным временем центрифугирования.

Измерение электрических и оптических свойств

При измерении коэффициента пропускания в качестве источника света использовалась кварцево-вольфрамовая галогенная лампа, соединенная с монохроматором (Newport 70528) для контроля длины волны. Диафрагма и выпуклая линза использовались для фокусировки луча размером примерно 1 мм × 2 мм, а светоделитель разделял световой пучок на интегрирующую сферу (Newport) для измерения коэффициента пропускания и фотодиод (Newport, 818-UV-L). ). Фотодиод подключен к электрометру (Keithley 6517A) для калибровки интенсивности света. Образцы помещались перед интегрирующей сферой; поэтому учитывались как зеркальное, так и диффузное пропускание. В качестве эталона использовали идентичное предметное стекло. Источник-измеритель (Keithley 236) использовался для измерения фототока от интегрирующей сферы, и, таким образом, спектр пропускания был рассчитан на основе эталонного простого предметного стекла. Затем спектр пропускания взвешивался солнечным спектром от 400 до 800 нм для получения среднего коэффициента пропускания Т _{АМ1. 5} . Для измерения поверхностного сопротивления серебряной ручкой (CircuitWorks, ITW Chemtronics) рисовали два контакта, разделенных квадратным участком прозрачного электрода, а затем сопротивление измеряли мультиметром с нулевой калибровкой. Сравнение двух- и четырехзондовых измерений сопротивления можно найти в дополнительной таблице S1. Различия значений сопротивления, измеренных этими двумя методами, очень малы. R _с – 9Кривые 1850 T на рис. 2b (синяя штриховая кривая) и рис. 4c (фиолетовая штриховая кривая) аппроксимированы на основе теории перколяции. Параметры и метод подгонки подробно описаны на дополнительном рисунке S4.

Характеристика

Все изображения SEM были получены с помощью FEI Nova NanoSEM. Для наблюдения соединения CuMW-AgNW жертвуемый слой PMMA сначала наносили центрифугированием на предметное стекло, после чего следовал обычный процесс изготовления CuMW-AgNW, упомянутый ранее. Затем образец погружали в ацетон для растворения жертвенного слоя ПММА и переносили на кремниевую пластину стороной AgNW вверх.

Демонстрация электрохромного устройства

Электрохромные образцы были изготовлены методом капельного литья 0,13% водного раствора PEDOT:PSS (Sigma-Aldrich) на прозрачные электроды размером 1 × 2,54 см ² . CuMW были перенесены на предметные стекла и напылены 100 нм ITO, а затем 20 нм атомно-слоевого осаждения AZO для пассивации CuMW. Стекла без покрытия, покрытые ITO и AZO одинаковой толщины, также были покрыты PEDOT для сравнения. На электрохромном образце использовали стандартную трехэлектродную установку (BioLogic) для манипулирования потенциалом с графитовым стержнем в качестве противоэлектрода и Ag/AgCl в качестве электрода сравнения (Accumet). Электролит был 1 M LiClO ₄ (Alfa Aesar) в ацетонитриле (EMD Chemicals). Электрохромный электрод прикладывали с шагом напряжения +0,2 и -0,4 В для изменения цвета в течение 30 с. Тем временем был измерен и зарегистрирован коэффициент пропускания при 590 нм с использованием спектрофотометра (Shimadzu, UV-1700).

Дополнительная информация

Как цитировать эту статью: Хсу, П.-К. и др. Улучшение характеристик прозрачных проводящих электродов из металлических нанопроволок за счет мезомасштабных металлических проволок. г. Нац. коммун. 4:2522 doi: 10.1038/ncomms3522 (2013).

Ссылки

1. Hecht, D.S., Hu, L.B. & Irvin, G. Новые прозрачные электроды на основе тонких пленок углеродных нанотрубок, графена и металлических наноструктур. Доп. Матер. 23 , 1482–1513 (2011).

   КАС
   Статья

   Google ученый

2. Zhu, R. et al. Плавленые серебряные нанопроволоки с наночастицами оксидов металлов и органическими полимерами для высокопрозрачных проводников. Акц. Нано 5 , 9877–9882 (2011).

   КАС
   Статья

   Google ученый

3. Wu, C. C., Wu, C.I., Sturm, JC & Kahn, A. Модификация поверхности оксида индия-олова с помощью плазменной обработки: эффективный метод повышения эффективности, яркости и надежности органических светоизлучающих устройств. Заяв. физ. лат. 70 , 1348–1350 (1997).

   КАС
   ОБЪЯВЛЕНИЯ
   Статья

   Google ученый

4. Bae, S. et al. Рулонное производство 30-дюймовых графеновых пленок для прозрачных электродов. Нац. нанотехнологии. 5 , 574–578 (2010).

   КАС
   ОБЪЯВЛЕНИЯ
   Статья

   Google ученый

5. Deb, S.K. et al. Автономное электрохромное интеллектуальное окно с фотогальваническим питанием. Электрохим. Acta 46 , 2125–2130 (2001).

   КАС
   Статья

   Google ученый

6. Wu, Z.C. et al. Прозрачные, проводящие пленки из углеродных нанотрубок. Наука 305 , 1273–1276 (2004).

   КАС
   ОБЪЯВЛЕНИЯ
   Статья

   Google ученый

7. Hu, L., Hecht, D.S. & Gruner, G. Перколяция в прозрачных и проводящих сетях углеродных нанотрубок. Нано Летт. 4 , 2513–2517 (2004).

   КАС
   ОБЪЯВЛЕНИЯ
   Статья

   Google ученый

8. Чжан, М. и др. Прочные, прозрачные, многофункциональные листы из углеродных нанотрубок. Наука 309 , 1215–1219 (2005).

   КАС
   ОБЪЯВЛЕНИЯ
   Статья

   Google ученый

9. Rowell, M.W. et al. Органические солнечные элементы с сетчатыми электродами из углеродных нанотрубок. Заяв. физ. лат. 88 , 233506 (2006).

   ОБЪЯВЛЕНИЕ
   Статья

   Google ученый

10. Ким, К. С. и др. Крупномасштабный рост рисунков графеновых пленок для растяжимых прозрачных электродов. Природа 457 , 706–710 (2009).

    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

11. Wang, X., Zhi, L.J. & Mullen, K. Прозрачные проводящие графеновые электроды для сенсибилизированных красителем солнечных элементов. Нано Летт. 8 , 323–327 (2008).

    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

12. Эда Г., Фанчини Г. и Чховалла М. Ультратонкие пленки большой площади из восстановленного оксида графена в качестве прозрачного и гибкого электронного материала. Нац. нанотехнологии. 3 , 270–274 (2008).

    КАС
    Статья

    Google ученый

13. Li, X. L. et al. Листы графена с высокой проводимостью и пленки Ленгмюра-Блоджетт. Нац. нанотехнологии. 3 , 538–542 (2008).

    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

14. Lee, J. Y., Connor, S. T., Cui, Y. & Peumans, P. Прозрачные электроды из металлической сетки из нанопроволок, обработанные раствором. Нано Летт. 8 , 689–692 (2008).

    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

15. Ву, Х. и др. Электропряденные металлические нановолоконные полотна в качестве высокопроизводительного прозрачного электрода. Нано Летт. 10 , 4242–4248 (2010).

    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

16. Хсу, П. К. и др. Пассивирующее покрытие на электроформованных медных нановолокнах для стабильных прозрачных электродов. Acs Nano 6 , 5150–5156 (2012 г.).

    КАС
    Статья

    Google ученый

17. Hu, L. B., Wu, H. & Cui, Y. Металлические нанорешетки, нанопроволоки и нановолокна для прозрачных электродов. г.р. Бык. 36 , 760–765 (2011).

    Артикул

    Google ученый

18. Rathmell, A.R., Bergin, S.M., Hua, Y.L., Li, Z.Y. & Wiley, B.J. Механизм роста медных нанопроволок и их свойства в гибких, прозрачных проводящих пленках. Доп. Матер. 22 , 3558–3563 (2010).

    КАС
    Статья

    Google ученый

19. Кан, М. Г., Ким, М. С., Ким, Дж. С. и Го, Л. Дж. Органические солнечные элементы с использованием прозрачных металлических электродов с наноимпринтом. Доп. Матер. 20 , 4408–4413 (2008).

    КАС
    Статья

    Google ученый

20. Kang, M.G. & Guo, L.J. Полупрозрачные металлические электроды с наноимпринтом и их применение в органических светоизлучающих диодах. Доп. Матер. 19 , 1391–1396 (2007).

    КАС
    Статья

    Google ученый

21. Rathmell, A. R. & Wiley, B. J. Синтез и покрытие длинных тонких медных нанопроволок для создания гибких прозрачных проводящих пленок на пластиковых подложках. Доп. Матер. 23 , 4798–4803 (2011).

    КАС
    Статья

    Google ученый

22. Гебберт С., Ноннингер Р., Эгертер М. А. и Шмидт Х. Мокрое химическое осаждение покрытий ATO и ITO с использованием кристаллических наночастиц, повторно диспергируемых в растворах. Thin Solid Films 351 , 79–84 (1999).

    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

23. Dattoli, E.N. & Lu, W. Нанопроволоки и наночастицы ITO для прозрачных пленок. мисс. Бык. 36 , 782–788 (2011).

    КАС
    Статья

    Google ученый

24. Bonaccorso, F. , Sun, Z., Hasan, T. & Ferrari, A.C. Графеновая фотоника и оптоэлектроника. г. Нац. Фотоника 4 , 611–622 (2010).

    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

25. Hosono, H., Paine, D.C. & Ginley, D.S. Справочник по прозрачным проводникам Springer (2010).

26. Kim, Y.H. et al. Высокопроводящий электрод PEDOT:PSS с оптимизированным растворителем и термической последующей обработкой для органических солнечных элементов, не содержащих ITO. Доп. Функц. Матер. 21 , 1076–1081 (2011).

    КАС
    Статья

    Google ученый

27. Эллмер, К. Прошлые достижения и будущие проблемы в разработке оптически прозрачных электродов. Нац. Фотоника. 6 , 808–816 (2012).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    Статья

    Google ученый

28. Xia, Y. J., Sun, K. & Ouyang, J.Y. Металлопроводящие полимерные пленки, обработанные раствором, в качестве прозрачного электрода оптоэлектронных устройств. г. ав. Матер. 24 , 2436–2440 (2012).

    КАС
    Статья

    Google ученый

29. О’Коннор, Б., Хоун, К., Ан, К. Х., Пайп, К. П. и Штейн, М. Прозрачные и проводящие электроды на основе тонких металлических пленок без рисунка. Заяв. физ. лат. 93 , 223304 (2008 г.).

    ОБЪЯВЛЕНИЕ
    Статья

    Google ученый

30. Клаук, Х., Хуанг, Дж. Р., Николс, Дж. А. и Джексон, Т. Н. Ультратонкие прозрачные металлические контакты, нанесенные методом ионно-лучевого напыления. Thin Solid Films 366 , 272–278 (2000).

    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

31. Hu, L.B., Kim, H. S., Lee, J.Y., Peumans, P. & Cui, Y. Масштабируемое покрытие и свойства прозрачных, гибких серебряных электродов из нанопроволоки. Acs Nano 4 , 2955–2963 (2010 г.).

    КАС
    Статья

    Google ученый

32. Ли, Дж. и др. Синтез очень длинных нанопроволок Ag и их применение в высокопрозрачных, проводящих и гибких сенсорных панелях с металлическими электродами. Nanoscale 4 , 6408–6414 (2012).

    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

33. Ву, Х. и др. Низкая отражательная способность и высокая гибкость прозрачных электродов из нановолокна из оксида индия, легированного оловом. Дж. Ам. хим. соц. 133 , 27–29(2011).

    КАС
    Статья

    Google ученый

34. Li, H. P., Pan, W., Zhang, W., Huang, S. Y. & Wu, H. Нановолокна TiN: новый материал с высокой проводимостью и коэффициентом пропускания для прозрачных проводящих электродов. Доп. Функц. Матер. 23 , 209–214 (2013).

    Артикул

    Google ученый

35. Garnett, E.C. et al. Самоограниченная плазмонная сварка соединений серебряных нанопроволок. г. Нац. Матер. 11 , 241–249 (2012).

    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

36. Zhu, Y., Sun, Z.Z., Yan, Z., Jin, Z. & Tour, JM. Рациональный дизайн гибридных графеновых пленок для высокоэффективных прозрачных электродов (том 5, стр. 6472, 2011). Ас Нано. 5 , 7686–7686 (2011).

    КАС
    Статья

    Google ученый

37. Ан, Б.Ю., Лоранг, Д.Дж. и Льюис, Дж.А. Прозрачные проводящие сетки с помощью прямого письма чернилами с наночастицами серебра. Наномасштаб 3 , 2700–2702 (2011).

    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

38. Де, С., Кинг, П.Дж., Лайонс, П.Е., Хан, У. и Коулман, Дж.Н. Размерные эффекты и проблема перколяции в наноструктурированных прозрачных проводниках. Acs Nano 4 , 7064–7072 (2010).

    КАС
    Статья

    Google ученый

39. Ли Д. и Ся Ю. Н. Изготовление нановолокон диоксида титана методом электропрядения. Нано Летт. 3 , 555–560 (2003).

    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

40. Ли Д., Ван Ю. Л. и Ся Ю. Н. Электропрядение полимерных и керамических нановолокон в виде одноосно ориентированных массивов. Нано Летт. 3 , 1167–1171 (2003).

    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

41. Тунг, Т. С. и Хо, К. С. Стабильность при циклировании и в состоянии покоя дополнительного электрохромного устройства, содержащего поли(3,4-этилендиокситиофен) и берлинскую лазурь. Сол. Энерг. Мат. Сол. C 90 , 521–537 (2006).

    КАС
    Статья

    Google ученый

42. Тао, А. и др. Монослои серебряных нанопроволок Ленгмюра-Блоджетт для молекулярного зондирования с использованием рамановской спектроскопии с усилением поверхности. Нано Летт. 3 , 1229–1233 (2003).

    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

43. Cui, H.N., Teixeira, V., Meng, L.J., Martins, R. & Fortunato, E. Влияние соотношения давлений кислород/аргон на морфологию, оптические и электрические свойства тонких пленок ITO, осажденных при комнатной температуре. Вакуум 82 , 1507–1511 (2008).

    КАС
    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

44. Лим, Д. С. и др. Эффективные органические солнечные элементы с серебряными электродами из нанопроволоки, обработанными раствором. Доп. Матер. 23 , 4371–4375 (2011).

    КАС
    Статья

    Google ученый

45. Генг, Х. З. и др. Влияние кислотной обработки на гибкие прозрачные проводящие пленки на основе углеродных нанотрубок. г. Дж. Ам. хим. соц. 129 , 7758–7759 (2007).

    КАС
    Статья

    Google ученый

Загрузить ссылки

Благодарности

Этот материал основан на работе, поддерживаемой в рамках Центра наноструктурирования для эффективного преобразования энергии (CNEEC) в Стэнфордском университете, исследовательского центра Energy Frontier, финансируемого Министерством энергетики США, Управление наук, Управление фундаментальных энергетических наук, номер награды DE-SC0001060. П.-Ч.Х. выражает признательность за поддержку со стороны Международной премии Фулбрайта в области науки и техники.

Информация об авторе

Примечания автора

1. Hui Wu

   Текущий адрес: Факультет материаловедения и инженерии Университета Цинхуа, Пекин, 100084, Китай к этой работе

Авторы и филиалы

1. Факультет материаловедения и инженерии, Стэнфордский университет, Стэнфорд, 94305, Калифорния, США

   Po-Chun Hsu, Hui Wu, Vijay K. Narasimhan, Desheng Kong и Yi Cui

2. Факультет электротехники, Стэнфордский университет, Стэнфорд, 94305, Калифорния, США

   Shuang Wang & Hye Ryoung Lee

3. 4

Национальная ускорительная лаборатория SLAC, Стэнфордский институт материаловедения и энергетических наук, 2575 Sand Hill Road, Menlo Park, 94025, California, USA

Yi Cui

Авторы

1. Po-Chun Hsu

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

2. Shuang Wang

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

3. Hui Wu

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

4. Виджей К. Нарасимхан

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

5. Desheng Kong

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

6. Hye Ryoung Lee

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

7. Yi Cui

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Академия

Взносы

P.-C.H., S.W. и Ю.К. задумал идеи. С.В. провел оптическое моделирование. П.-Ч.Ч., С.В., Х.В., В.К.Н., Д.К. и Х.Р.Л. спроектировал и осуществил изготовление материалов. П.-Ч.Х. проведены измерения электрических и оптических свойств, морфологическая характеристика и электрохромные устройства. П.-Ч.Х., С.В. и Ю.К. соавтор статьи. Все авторы обсудили результаты и прокомментировали рукопись.

Автор, ответственный за переписку

Связь с
Йи Цуй.

Декларации этики

Конкурирующие интересы

Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих финансовых интересов.

Дополнительная информация

Дополнительные рисунки, дополнительная таблица и дополнительная ссылка.

Дополнительные рисунки S1-S4, дополнительная таблица S1 и дополнительная ссылка. (PDF 346 kb)

Дополнительный фильм 1

Параллельное сравнение электрохромных устройств с различными прозрачными проводящими подложками. (AVI 10334 кб)

Права и разрешения

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Дополнительная литература

• Наноразмерные плазмонные провода с максимальной добротностью в качестве превосходного гибкого прозрачного проводящего электрода для цветов RGB.