Новости

Oct 02, 2023

Все

Scientific Reports volume 12, Article number: 20962 (2022) Cite this article 1699 Accesses 2 Citations 5 Altmetric Metrics details Transparent conducting electrodes (TCEs) are essential components in

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 20962 (2022) Цитировать эту статью

1699 Доступов

2 цитаты

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Прозрачные проводящие электроды (TCE) являются важными компонентами таких устройств, как сенсорные экраны, умные окна и фотоэлектрические устройства. Сети из металлических нанопроволок обещают ТВК следующего поколения, но наиболее эффективные примеры основаны на дорогих металлических катализаторах (палладии или платине), вакуумной обработке или процессах переноса, которые невозможно масштабировать. Эта работа демонстрирует процесс изготовления TCE из металлических нанопроволок, который фокусируется на высокой производительности и простоте изготовления. Здесь мы объединили процессы прямой и гальванической металлизации электропряденых нанопроволок. Сначала мы непосредственно металлизируем серебряные нанопроволоки, используя реактивные серебряные чернила. Серебро катализирует последующее меднение с образованием нанопроводов ядро-оболочка Ag-Cu и устраняет сопротивление соединения нанопроволок. Этот процесс позволяет настраивать свойства передачи и сопротивления листа путем регулирования времени электропрядения и нанесения покрытия. Мы демонстрируем современные ТВКЭ с низкой дымчатостью, используя полностью атмосферный процесс с сопротивлением листа 0,33 Ом кв-1 и коэффициентом пропускания видимого света 86% (включая подложку), что приводит к показателю качества Хааке, равному 652 × 10–3 Ом–1. Электрод из нанопроволоки ядро-оболочка также демонстрирует высокую химическую стойкость и устойчивость к изгибу.

Существующие и развивающиеся оптоэлектронные технологии, такие как фотоэлектрические элементы, светодиоды, сенсорные экраны, полностью прозрачные дисплеи и прозрачные нагреватели, в своей работе полагаются на прозрачные проводящие электроды (ППЭ). Высокоэффективные ТВК оптимизируют два свойства материала: поверхностное сопротивление (Rs) и светопропускание (Т), которые трудно контролировать независимо, поскольку оба зависят от количества материала ТВК; большее количество материала ТВК увеличивает R и уменьшает T. Компромисс между Rs и T является проблемой для всех ТВК. Оптимизация этого компромисса количественно оценивается показателем качества (FOM), который объединяет R и T в одно значение. Широко используемый FOM Хааке равен T10 Rs−11. Оксид индия-олова (ITO), доминирующая коммерческая технология ТВК, обычно обеспечивает Rs ~ 10 Ом кв-1, ~ 90% T и FOM около 35 × 10-3 Ом-1 (рис. 1a)2. Помимо относительно низкой производительности, ITO имеет несколько других недостатков, которые ограничивают применимость и увеличивают стоимость3: (1) Он хрупкий по своей природе, что делает его непригодным для гибких приложений. (2) Индий становится все дороже из-за его дефицита. (3) Нанесение ITO обычно включает в себя трудоемкие и дорогостоящие вакуумные процессы, такие как магнетронное распыление.

( а ) График пропускания на длине волны 550 нм (T550 нм) в зависимости от поверхностного сопротивления (Rs), показывающий самые высокие характеристики ТВК на основе нанопроволоки на сегодняшний день. Включены ТВК на основе полимерного импринтинга22,23,24, электропрядения31,32,33,34,35 и ITO2. Зеленые звездочки — это самые высокие значения TCE FOM из этой работы для серебряных нанопроволок после прокаливания и серебряных нанопроволок с меднением. Пунктирные фиолетовые линии — это изолинии FOM Хааке. Некоторые значения пропускания были пересчитаны из исходных публикаций, чтобы включить сопоставимые субстраты (таблица S1). (b) Схема процесса изготовления ТВК. 1. Электроспиннер наносит полимерные нанопроволоки, содержащие чернила из реактивного серебра, на стеклянную подложку. 2. На плите при температуре 300 °C нанопроволоки прокаливаются в течение 30 с для испарения полимера и восстановления предшественника серебра. 3. Обработка УФ-озоном активирует поверхность серебряных нанопроволок для химического осаждения меди. 4. Химическое осаждение меди создает медную оболочку вокруг серебряных нанопроводов, которая сплавляет соединения. Сеть нанопроволок типа ядро-оболочка серебро-медь остается на подложке. (c) Фотография, демонстрирующая реальную прозрачность и нейтральность цвета нанопроволоки TCE.

Исследователи разработали ряд стратегий по вытеснению существующего ITO, включая ТВК на основе оксидов металлов4,5, углеродных нанотрубок6,7, графена8,9, проводящих полимеров10,11, структур оксид/металл/оксид12,13,14,15 и металлических нанопроволочные сети15,16,17,18,19. Сети из металлических нанопроволок многообещающи благодаря своей высокой производительности, высокой масштабируемости, низкой стоимости и гибкости20,21. Металлы обеспечивают непревзойденные электрические характеристики, а тонкие провода практически невидимы для человеческого глаза при низком проценте заполнения. Высокопроизводительные металлические нанопроволоки TCE содержат провода с низким удельным сопротивлением с равномерным распределением и плавлеными переходами для уменьшения контактного сопротивления. Существуют различные методы создания рисунка нанопроволоки, включая импринтинг полимеров22,23,24,25, электрогидродинамическую печать26,27, обработку раствором28,29, литографию с трещинами на пленке30 и электропрядение31,32,33,34,35,36. Импринтинг полимеров и электропрядение являются двумя наиболее распространенными методами нанесения рисунка из-за их масштабируемости и низкой стоимости. На рисунке 1а представлен обзор некоторых из наиболее эффективных ТКЭ из металлических нанопроволок, основанных на импринтинге полимера и электропрядении.