Eletrodos transparentes flexíveis baseados em nanomashes de ouro

Resumo

A transmitância, condutividade e flexibilidade são as propriedades cruciais para o desenvolvimento de eletrodos flexíveis de próxima geração. Alcançar um bom equilíbrio entre transmitância e condutividade de eletrodos flexíveis tem sido um desafio porque as duas propriedades são inversamente proporcionais. Aqui, revelamos que um bom equilíbrio entre transmitância e condutividade da nanomesh de ouro (AuNM) pode ser alcançado através do aumento adequado da espessura do AuNM em não mais do que 40 nm, o caminho livre médio dos elétrons no metal Au. A investigação de flexibilidade adicional indica que os eletrodos AuNM com estrutura de malha mostram maior tolerância do que o filme em massa de Au, e os eletrodos AuNM com largura de arame de inter-abertura menor podem acomodar mais tensões de tração do que uma contraparte com largura de arame de inter-abertura maior. Os resultados simulados com base na análise de elementos finitos (FEA) mostram boa concordância com os resultados experimentais, o que indica que o método de fabricação da litografia de nanosfera versátil (NSL) é confiável. Esses resultados estabeleceram uma abordagem promissora para eletrodos AuNM flexíveis e transparentes de próxima geração para eletrônicos flexíveis.

Introdução

Recentemente, novos eletrodos transparentes flexíveis foram investigados, como óxidos metálicos dopados (ITO, FTO), nanotubos de carbono, grafeno e polímeros condutores, para permitir condutividade elétrica e transparência óptica simultaneamente sob deformação mecânica. [1,2,3,4,5]. ITO e FTO apresentam custo de fabricação e fragilidade devido à natureza cerâmica, que restringe a aplicação em superfícies irregulares [6, 7]. A fraca estabilidade ambiental e biocompatibilidade dos polímeros condutores em razão da instabilidade do estado dopado não foram resolvidas [8]. Uma estratégia primária é usar materiais de nanomesh de metal altamente condutivo em um substrato elástico [9]. O filme de metal como eletrodos transparentes deriva em grande parte de sua densidade tipicamente alta de elétrons livres, que permite que filmes de metal ultrafinos na ordem de 1-40 nm de espessura tenham transparência óptica e condutividade apropriada [10]. No entanto, um único filme de metal ultrafino não pode ter alta transmitância devido à alta reflexão da superfície, mesmo se a absorção dentro do filme de metal for insignificante, definindo sua espessura comparável à profundidade da pele [11, 12]. Para resolver esses problemas, os eletrodos de metal transparentes nanoestruturados foram desenvolvidos recentemente para permitir que a luz passe e, possivelmente, alcance alta transmissão óptica, mantendo a baixa resistência da folha do metal e flexibilidade efetiva [13,14,15,16,17] . O nanofio de prata mostrou baixa resistência de folha e alta transparência como eletrodos transparentes flexíveis para substituir ITO [13,14,15]. No entanto, várias desvantagens, como grande resistência de junção, pequena área de contato e fácil corrosão devido à oxidação e vulcanização de enxofre, degradaram o desempenho dos eletrodos de nanofio de prata [10]. Considerando a questão da estabilidade de longo prazo, alguns metais como Au e Pt devem ser desenvolvidos primeiramente, em virtude de sua estabilidade elétrica de longo prazo sem corroer por oxidação [16, 17]. Os eletrodos AuNM transparentes com topologia tipo malha têm sido cada vez mais explorados para um melhor desempenho [18, 19]. No entanto, alcançar um bom equilíbrio entre a transmitância e a condutividade do AuNM tem sido um desafio porque as duas propriedades são inversamente proporcionais [20, 21]. A influência do tamanho da malha nas propriedades de flexibilidade mecânica não foi investigada para que sejam aplicadas à eletrônica flexível [22].

Neste artigo, demonstramos os eletrodos de AuNM transparentes flexíveis feitos pela técnica de litografia versátil de nanosfera (NSL) [23,24,25]. O eletrodo AuNM resultante com nanoestrutura hexagonal, uniforme e periódica exibiu excelente transmitância e resistência de folha. Os resultados simulados com base na análise de elemento finito (FEA) mostram uma boa concordância com os resultados experimentais, e os resultados revelam que um bom equilíbrio entre a transmitância e a condutividade do AuNM pode ser alcançado através do aumento adequado da espessura do AuNM em não mais do que 40 nm. A investigação de flexibilidade adicional indica que os eletrodos AuNM com estrutura de malha mostram maior tolerância do que o filme em massa de Au, e os eletrodos AuNM com largura de arame de inter-abertura menor podem acomodar mais tensões de tração do que uma contraparte com largura de arame de inter-abertura maior. Os testes de bancada indicam que os eletrodos AuNM preparados possuem alta transmitância, baixa resistência da folha e excelente flexibilidade.

Métodos e Experimentos

Detalhes Experimentais

NSL atrai cada vez mais atenção como uma técnica barata e em escala de wafer para a fabricação de nanoestrutura ordenada, uniforme e ajustável utilizando uma monocamada hexagonalmente compacta de esferas de poliestireno (PS, Aladdin Co., Ltd.) como um modelo [26 , 27,28].

A Figura 1a mostra o processo de fabricação do AuNM usando a técnica NSL. (i) Após uma monocamada compacta de esferas PS com um diâmetro inicial D =1 μm foi depositado em um substrato de polietileno tereftalato de 500 μm de espessura (PET, Aladdin Co., Ltd.) em vidro, que foi limpo com isopropanol e água desionizada sequencialmente por meio de uma interface de ar / água com automontagem, o diâmetro das esferas de PS foi reduzido por meio de corrosão iônica reativa (RIE, gases de corrosão:O ₂ e CHF ₃ ) para criar lacunas entre as esferas PS. (ii) Nanomesh de metal foi formada nas vacâncias entre as esferas de PS após a deposição da camada tampão de Ti de 2 nm e Au de 20 nm via evaporação por feixe de elétrons. (iii) Depois que as esferas de PS foram removidas por uma fita adesiva e sonicação, a nanomesh de metal no substrato foi produzida. As microestruturas obtidas foram caracterizadas em microscópio eletrônico de varredura (SEM, Nova NanoSEM 450, FEI, Eindhoven, Holanda). Para demonstrar visualmente o desempenho da transmitância e resistência da folha sob tensão de tensão, desenvolvemos uma configuração de medição como mostrado na Fig. 1b. Neste teste, uma membrana típica de AuNM com largura média de fio entre abertura de ~ 160 nm e espessura de ~ 20 nm no filme PET (espessura de ~ 500 μm) foi adotada. O eletrodo AuNM transparente e dobrado sob tensão de deformação é conectado ao fio por pasta de prata condutora e fita de cobre condutora para bom contato elétrico, produzindo aceso de LED, conforme mostrado na Fig. 1b. Este teste indica que os eletrodos AuNM preparados possuem alta transmitância, baixa resistência da folha e excelente flexibilidade.

a O esquema de fluxo de preparação do eletrodo AuNM. b A demonstração de desempenho de transmitância e condutividade

Como mostrado na Fig. 2a, o AuNM preparado tem uma nanoestrutura precisamente controlada mostrando excelente uniformidade com orifícios circulares periódicos dispostos hexagonalmente. As seis amostras diferentes de AuNM com largura média de fio de inter-abertura, ou seja, as vagas entre duas esferas PS (rotuladas como "w", variando de 100 nm a 175 nm, w1 =100 nm, w2 =115 nm, w3 =130 nm, w4 =145 nm, w5 =160 nm, w6 =175 nm), foram preparados para comparação.

As imagens da estrutura do AuNM. a Imagens SEM de vista superior de seis amostras experimentais diferentes e b desenhos de vista superior de seis modelos numéricos diferentes. Barra de escala:500 nm

Detalhes da simulação

Para comparação, os seis modelos numéricos diferentes (Fig. 2b) com os mesmos parâmetros que as amostras de AuNM preparadas foram analisados na simulação FEA.

Nas simulações eletromagnéticas, a fonte de luz foi configurada para criar luz polarizada circularmente em uma célula unitária de AuNM em PET, conforme mostrado no Arquivo adicional 1:Figura S1. Uma esfera integradora foi usada para medir a luz total transmitida e não simplesmente a transmitância especular. Condições de contorno periódicas foram usadas para simular em uma célula unitária nas direções horizontais. E condições de contorno de camada perfeitamente combinadas foram usadas para evitar o espalhamento não físico na borda da célula unitária simulada nas direções verticais [29]. Além disso, os parâmetros das propriedades do material foram aplicados a partir dos dados experimentais publicados, que eram os mesmos para o material de simulações mecânicas [30]. Arquivo adicional 1:A Figura S2 mostra um diagrama esquemático dos modelos de AuNM e AuNM em PET na simulação de flexibilidade mecânica, respectivamente.

Resultados e discussões

O modelo teórico é validado comparando os resultados simulados com os dados experimentais. A transmitância a 550 nm e as propriedades de resistência da folha de seis amostras diferentes com base nos dados simulados e experimentais são demonstradas na Fig. 3. Junto com o aumento da largura do fio entre as aberturas, tanto a transmitância quanto a resistência da folha diminuíram. Em particular, a tendência de variação dos dados simulados é linear. As propriedades de transmitância e resistência da folha medidas estão de acordo com as propriedades simuladas, o que indica que o método de fabricação NSL é confiável. A maior transmitância de 89% e resistência da folha de 104,5 Ω / □ foram medidas na menor largura do fio de 100 nm, e a maior largura do fio de 175 nm produz transmitância de 65% e resistência da folha de 16,5 Ω / □. Por considerações geométricas, a maior transmitância deriva de aberturas maiores, ou seja, menor largura do fio devido à diminuição do tempo de corrosão para as esferas PS, o que resulta em uma diminuição da área para bloquear a luz. No entanto, a largura menor do fio resulta no aumento da resistência da folha devido à diminuição das vias de condução para o fluxo de elétrons.

Transmitância e resistência da folha vs. largura do fio de inter-abertura de AuNM (em λ =550 nm e espessura =20 nm)

Deve-se notar que a transmitância e a resistência da folha diminuíram linearmente à medida que a largura do fio entre as aberturas aumentou nos resultados simulados em virtude da periodicidade perfeita dos modelos simulados. Pelo contrário, os desempenhos de transmitância e resistência da folha nos resultados experimentais sofrem degradação devido a mais ou menos alguns defeitos inevitáveis, impurezas e rugosidade da superfície.

A fim de maximizar o potencial de AuNM para uso como um eletrodo transparente, é normalmente desejável ter uma alta transmissão e uma baixa resistência de folha. No entanto, alcançar um bom equilíbrio entre a transmitância e a condutividade do AuNM tem sido um desafio porque as duas propriedades são inversamente proporcionais. Para resolver o problema, aqui, analisamos teoricamente o efeito da espessura do AuNM na transmitância e resistência da folha. Todas as simulações foram realizadas no mesmo comprimento de onda de 550 nm, largura média do fio de abertura média de 160 nm e espessura de 10 a 100 nm. Arquivo adicional 1:A Figura S3 mostra o mapa de distribuição potencial de AuNM em corrente constante. No estágio inicial da Fig. 4, o aumento da espessura do AuNM resulta em uma rápida diminuição da resistência da folha, que diminui lentamente após a espessura de 40 nm. O AuNM mais espesso além de 40 nm próximo ao caminho livre médio dos elétrons no metal Au não pode aumentar significativamente a condutividade [31]. Enquanto isso, a alta transmitância foi mantida por um longo tempo, que diminui lentamente. O AuNM mais espesso aumentaria as vias de condução para o fluxo de elétrons, o que produz uma baixa resistência da folha com uma leve degradação da transmissão devido às aberturas constantes e à largura do fio.

Transmitância e resistência da folha vs. espessura AuNM (em λ =550 nm e W5 =160 nm)

Esforços poderiam ser dedicados para melhorar a transmitância e condutividade de tal nanomesh de metal, aumentando apropriadamente a espessura do AuNM não mais do que 40 nm, o caminho livre médio dos elétrons no metal Au.

Uma propriedade atraente do AuNM é a boa flexibilidade mecânica. A influência da deformação na resistência da folha foi investigada para examinar a flexibilidade mecânica do AuNM sob flexão. A fim de facilitar a análise, uma amostra de filme a granel de Au com os mesmos parâmetros de uma contraparte modelo de filme a granel numérico de Au (espessura de ~ 20 nm) em filme de PET (espessura de ~ 500 μm) foi fabricada. As inserções mostram mapas dos eletrodos AuNM durante o teste de dobra e simulação de dobra, respectivamente. Arquivo adicional 1:A Figura S4 mostra o mapa de distribuição de tensão dos eletrodos AuNM durante a simulação de flexão abaixo de 1,5 × 10 ⁹ N / m ² força na Y direção, o que mostra que a tensão está principalmente concentrada no centro de AuNM. Conforme mostrado na Fig. 5, no teste de flexão, em primeiro lugar, o filme em massa de Au com largura máxima de arame entre aberturas exibiu um aumento dramático da resistência da folha à deformação além de 1,9% e o pior desempenho flexível. No entanto, seis eletrodos de AuNM mantiveram sua resistência inicial até que a taxa de estiramento alcance 2,1%. Ao mesmo tempo, conforme as larguras dos fios entre aberturas diminuíam, os eletrodos AuNM sofrem falhas elétricas gradualmente, devido à quebra total dos eletrodos AuNM.

O nível de tensão vs. R / R ₀ para eletrodos AuNM e filme de massa Au ( R / R ₀ , onde R ₀ é a resistência inicial sob tensão zero). As inserções mostram mapas dos eletrodos AuNM durante o teste de dobra e simulação de dobra, respectivamente

Não é difícil encontrar os eletrodos AuNM com uma estrutura de malha mostrando maior tolerância do que o filme em massa de Au, e os eletrodos AuNM com largura de arame de inter-abertura menor exibem melhor desempenho flexível. A força aplicada nas amostras irá causar tensão de tração, que pode ser acomodada por rotações no plano e distorção da nanomesh periódica sem quebra do AuNM [32]. No entanto, o filme em massa de Au não pode acomodar as deformações de tração aplicadas, que causam sua quebra no ponto limite das deformações de tração e falha elétrica.

Os resultados simulados mostram boa concordância com os resultados experimentais, exceto que o ponto limite das deformações de tração nos resultados simulados (próximo a 1,2) é inferior aos resultados experimentais. Isso ocorre porque as amostras fabricadas com um tamanho de vários centímetros quadrados podem acomodar mais tensões de tração do que os modelos simulados com um tamanho de vários mícrons quadrados.

Além disso, para avaliar a estabilidade do eletrodo, o valor da resistência da folha dos eletrodos AuNM foi medido conforme o teste de flexão progredia. Eletrodos AuNM em filme PET foram dobrados em até 400 ciclos sob um raio de curvatura mínimo de 5 mm e máximo de 15 mm, conforme mostrado na Fig. 6, mostrando a boa estabilidade flexível.

A resistência da folha vs. ciclos de flexão no teste de flexão mecânica de AuNM (em W5 =160 nm e espessura =20 nm)

Conclusões

Em conclusão, os presentes resultados mostram que os eletrodos de AuNM transparentes e flexíveis podem ser sintetizados usando a técnica NSL versátil. O eletrodo AuNM resultante com nanoestrutura hexagonal, uniforme e periódica exibiu excelente transmitância e resistência de folha. Os resultados simulados mostram boa concordância com os resultados experimentais, o que indica que o método de fabricação NSL é confiável. Um bom equilíbrio entre a transmitância e a condutividade do AuNM pode ser alcançado através do aumento apropriado da espessura do AuNM em não mais do que 40 nm, o caminho livre médio dos elétrons no metal Au. Na investigação da flexibilidade, os eletrodos AuNM com estrutura de malha mostram maior tolerância do que o filme em massa de Au, e os eletrodos AuNM com largura de arame de inter-abertura menor podem acomodar mais tensões de tração do que uma contraparte com largura de arame de inter-abertura maior; o teste de flexão mecânica mostra a boa estabilidade flexível do AuNM. Os eletrodos AuNM preparados com alta transmitância, baixa resistência de folha e excelente flexibilidade estabeleceram uma abordagem promissora para eletrodos AuNM flexíveis e transparentes de próxima geração, com ampla utilidade para aplicações em eletrônica flexível, incluindo biossensores e dispositivos optoeletrônicos.

Abreviações

AuNM:: Nanomesh de ouro
FEA:: Análise de elementos finitos
NSL:: Litografia de nanosfera
PET:: Tereftalato de polietileno
PS:: Esferas de poliestireno
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura

A aplicação potencial de BAs para um sensor de gás para detecção de molécula de gás SO2:um estudo DFT Desempenho ferroelétrico aprimorado de filmes LiNbO3 dopados com magnésio por uma camada atômica ideal depositada em camada de troca de túnel de Al2O3

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias