超越灵活性:透明的银纳米线电极在图案表面可重构器件

银纳米线是下一代透明电极材料,与金属氧化物等传统透明电极材料相比,具有更大的灵活性和制造方便性。在以前的研究中,展示了在平坦表面上的均匀沉积,显示出高电导率、弹性和良好的透光性。然而,纳米电子技术的发展需要在非平面上制造透明的电极,如在天顶双稳定器件和可重构菲涅耳透镜上发现的电极。在本研究中,提出了一种用聚氯乙烯(PVC)菲涅耳透镜作为靶面,用多面层涂覆法在不平坦表面上沉积AGWW材料的方法。此外,研究了不同的阿格韦悬浮液浓度对透光率和板材电阻的影响。为了进一步降低板材的阻力,在这种物质上沉积了一层导电聚合物聚(3,4-乙二氧基硫胺)聚苯乙烯磺酸盐。测量结果显示2毫克毫升 −1 样品显示板材电阻为W187.83W −1 在550纳米处有37.4%的透光率。PSS工艺后,板材电阻降至122.84WW −1 传输率为84.4%。在本研究中,提供了一个解决方案,以统一沉积在图案表面,为下一代光学设备铺平道路。

1.导言
随着纳米化技术的发展,可穿戴、可调谐光学器件对透明电极的需求日益增加。传统的透明电极材料是金属氧化物,如氧化铅(ITO)。ITO具有良好的电气性能和透明度,在电子纸张、太阳能电池和显示器等领域得到了广泛的应用。 [ 1 , 2 ] 然而,由于金属氧化物的物理性质,ITO是脆性的,不适合于灵活的装置。除此之外,ITO电极成本昂贵,需要先进的设备来制造。在这种情况下,像石墨烯、银纳米线和碳纳米管这样的导电纳米材料可以用来制造透明和灵活的电极,在可折叠屏幕和电子皮肤设备中有着广泛的应用。 [ 3 - 5 ] 在这些纳米材料中,AGWW提供了相对较低的片材电阻和制造成本,使其成为创造透明和灵活电极的一个流行选择。 [ 6 , 7 ]在本文中,我们重点研究了在不均匀的衬底表面上沉积AGWW的技术。

以前的研究已经成功地在平面上沉积了AGWW,使用旋转涂层,滴状涂层,或喷雾沉积等。 [ 8 - 11 ] 不同的沉积过程会导致不同的透过率和电阻值。 桌子 1 . [ 12 , 13 ] 采用化学和物理方法,后处理可进一步降低板材的电阻。 [ 12 ] 化学方法包括在氯化氢(HCL)蒸气中孵化由颗粒处理的薄膜,以减少氧化表面,显著降低片材的电阻。物理方法,如退火 [ 8 , 14 ] 以及压迫, [ 15 ] 是用于降低板材电阻的主要后处理程序。

Table 1. 先前的研究
参考文献    制造方法    目的    T [%]        后处理
[ 8 ]    滴状涂层    太阳能电池    84.7    10.3    退火的
[ 9 ]    转移过程    渗滤网络    85    10    退火的
[ 11 ]    喷雾沉积    /    90    50    /
[ 15 ]    滴状涂层    太阳能电池    /    8.6    压缩
[ 34 ]    滴状涂层    透明电极    95    580    照明
[ 35 ]    水浸涂料    图案电极    87.4    8.2    重复涂层
[ 29 ]    旋转涂料    灵活有机发光二极管(OLED)    83    12    PEDOT:PSS
现有文献主要讨论的是在平面基板上的阿格努电极沉积。然而,随着纳米技术的发展,研究人员正在探索在图案基板上沉积导电材料,如天顶双稳定装置(ZBDS) [ 16 - 18 ] 以及可重构菲涅耳透镜, [ 19 - 21 ] 如图所示 图形 1.金属化过程通常涉及使用金属氧化物材料的蒸发和溅射,这就需要专业的金属化设备和增加制造成本。此外,金属氧化物是脆弱的,因此不适合弹性电池。作为一种更灵活和更具成本效益的替代品,该材料是传统透明电极材料的一种可行替代品。由于表面结构的复杂性,很难在菲涅耳透镜上使用传统的方法,例如滴状涂层和旋转涂层。一种可行的解决办法是采用麻花布的方法。具体而言,myal-Bar涂层是一种控制和将精确均匀的液体材料厚度涂在弹性衬底上的方法。衬底上方的Mylar杆高度可以调整,它决定涂层材料的厚度。与其他涂层方法相比,Mylar涂层更适合于在有图案的表面上沉积GANW,因为可以调整Mylar条和衬底之间的间隙,以确保涂层材料在表面上均匀分布。

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图1
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幻灯片
我们关于在图案表面沉积银纳米线的概念,以及两个涉及可重构菲涅尔透镜和天顶双稳定装置的潜在应用。
在本文中,我们展示了在图案的表面上沉积的过程,并展示了变化的阿格格威悬浮浓度是如何影响透光率和板材电阻。我们还讨论后处理技术,以进一步降低板材电阻。具体来说,我们使用聚氯乙烯(PVC)的菲涅尔透镜作为目标基材,因为它成本低,灵活性和可伸缩性。值得注意的是,PVC材料的低熔点要求温度控制在50℃以下,以避免永久变形。我们的研究成果将对未来可重构液晶技术的发展作出重大贡献,包括光开关, [ 22 , 23 ] 可测天线, [ 24 ] 可调节焦点眼镜, [ 25 ] 以及创新的显示技术。 [ 26 , 27 ]

2.方法
2.1制造工艺
首先,艾格威异丙醇悬浮液(5毫克毫升) −1 (1-5毫克)的浓度被稀释至1-5毫克 −1 使用投资促进机构。这一步是为电极制造制备不同浓度的AGW悬浮液。采用高浓度的IGWLI(离子)悬浮剂制造电极,会使单位面积的银材料积累得更大,从而导致低片材电阻,但也降低了透光率。因此,本文研究了五种不同浓度的琼格威悬浮液对板材电阻和透光率的影响。

第二,衬底物(菲涅耳透镜)在超声波清洗器中浸没在前催化剂中5分钟,然后用氮流干燥。 图形 2a .值得注意的是,菲涅耳透镜是由聚氯乙烯制成的,它能溶于一些酒精溶剂,如乙醇。因此,清洗样品和稀释悬浮液时必须避免使用这些材料。在此之后,在清洁的衬底边缘放置了两个50个Mylar薄膜的20毫米间隔片,如图所示。 2b.用光学胶NA61与Mylar膜垫片粘在一起,用紫外光固化。这一步固定了间隔片,消除了间隔片和图案衬底之间的间隙。垫片确保衬底的每个单位面积都能得到相同体积的材料,从而可以得到均匀的AGW涂层。

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图2
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在有图案的衬底上沉积的过程:(a)靶向衬底;(b)在衬底两侧观察到两个Mylar膜空间粘合剂;(c)在样品的一侧放置一个滴的GANW材料;(d)使用Mal-Bar-涂层法均匀沉积GANW材料;(e)在50°热板上加热衬底以蒸发异丙醇;(f)清除间隔片和未涂布的区域。
随后,阿格努悬浮液被扔到衬底的边缘上,并在上面沉积,如图所示 2c,d . [ 28 ] 沉积后,该衬底在50℃热板上烘烤5分钟以凝固该物质。最后,将间隔片和部分边缘移开,以获得均匀的涂布面积,如图所示 2e,f .

2.2后处理
如前所述,几种后处理方法可用于进一步降低AGW电极的片材电阻。退火是一种有效的后处理技术,其目的是通过降低纳米线之间的连接电阻来提高纳米线的沉积质量。一般来说,可以在100~150℃的温度下退火。 [ 29 , 30 ]然而,由于聚氯乙烯材料的熔点较低,涉及高温的后处理不适合我们的应用。其他高温方法,如等离子体和微波工艺也会导致衬底温度上升,可能破坏表面图案。此外,由于PVC衬底固有的低刚度,排除了机械压缩方法。高压不能均匀的应用在图案的表面,而不冒损害菲涅耳透镜图案的风险。因此,化学工艺成为PVC基材的最合适的方法,这也是为什么我们使用聚(3,4-乙二氧基硝基苯)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)处理技术来有效地降低片材的阻力的原因。

PSS是一种导电聚合物混合物,广泛用于透明电极和灵活的有机器件。 [ 31 ] 以往的研究表明:PSS可以降低网络的连接阻力,降低表面粗糙度。在本文中,我们证明了PSS也可以提高图案基板的导电性,而不影响它们的光学性质。 [ 29 ]

在我们的实验中,我们首先在衬底上均匀地沉积。随后,奥加康S305(0.54%PSS) (西格玛-阿尔德里奇)以1000rm的速度在阿格努层上旋转,厚度在50-60纳米之间。 [ 32 ]按照先前文献中所记载的做法,在50℃热板上加热基质10分钟以凝固聚合物。需要注意的是,PSPT:PSS通常是从溶液中应用的,这需要溶剂蒸发来凝固薄膜。高温退火加速了这一蒸发,使聚合物链重新调整,薄膜凝固更有效。这一过程产生更密集和更有序的结构,从而提高电导率。然而,由于我们的底物的局限性,我们只能在50℃时凝固PSS。尽管这不是PSS沉积的最佳退火温度,但结果仍然显示出值得称赞的电导率。在50℃凝固后,该物质的片材电阻显著降低。通过以往的研究,我们了解到通过重复纺丝涂层工艺来增加薄膜厚度可以进一步提高导电性和表面光滑度。然而,该方法也可能降低透光率,并略微改变表面图案,从而可能影响光学性能。

2.3定性
本文主要研究不同浓度的阿格乌悬浮液对板材电阻和透光率的影响。此外,我们还研究了后处理的使用,以进一步降低板材电阻。采用基于霍尔效应测量系统的四点探针法测量了板材电阻。 [ 33 ] 此外,利用紫外可见分光光度计(超光速9000)测量了不同光波长下的透光率.根据这些测量结果,我们确定了阿格诺悬浮液浓度与透光率之间的关系。结果还表明了PSS过程如何降低了透光率和板材电阻。

此外,还采用光学轮廓仪和触笔轮廓仪测量沉积后的表面图案。这一步骤证明了阿格努和佩托的沉积不会影响衬底的图案,确保菲涅耳透镜的光学特性不受影响。此外,还拍摄了扫描电子显微镜图像,观察了PSPT:PSS对减少板材电阻的影响。利用原子力显微镜(AFM)测量了表面几何,说明PSPT:PSS降低了表面粗糙度,增加了网络内的网状连接。

3结果和讨论
最初,在使用前面提到的肌条覆盖法均匀地在菲涅耳透镜上施用了五种不同浓度的阿格努悬浮液后,用紫外-Vis测量了不同波长下的透光率。 图形 3a .随着悬浮液浓度的增加,透光率明显降低。高浓度的阿格韦悬浮物导致了密集的阿格韦网络,影响了透光率。随后,在PSS过程和图解图中测量了PSS过程后的透光率。 3b .与图相比 3a,经处理后,透过率下降了3%至7%。明显的是,在高浓度的颗粒悬浮液中沉积的样品具有较密集的颗粒悬浮物网络,保留了较多的残余物质PSS材料,使其通过率下降更大。

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图3
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(a)PSS工艺前用不同浓度的阿格努悬浮剂涂布样品的透光率。(b)佩多特之后的透光率:PSS过程。(c)在PSS工艺之前和之后,用不同浓度的阿格努悬浮剂涂覆样品的片材电阻。在550纳米时,板材电阻与透光率之间的关系。
此外,我们采用四点探针法测量了每一悬浮浓度下五个样品的片状电阻。图中显示了平均表电阻 3c .数据表明,浓度较低的悬浮液会导致AGW网络变得稀薄,从而产生更高的片材电阻。浓度由1至3毫克毫升增加 −1 ,板材阻力由375.75下降至32.64平方米 −1 .但是,对于浓度为4和5毫克毫升的样品 −1 ,板材电阻下降幅度较小,由11.09度上升至8.02度。 −1 .在应用PEDOT:PSS过程后,又进行了另一套测量,如图所示 3c .与先前的研究结果相比,PEDOT:PSS工艺降低了板材的电阻,表明了对浓度较低的样品的影响更明显。例如,1毫克毫升的表阻力平均值 −1 原样品为373.75瓦平方米 −1 减少到了231.48平方米 −1 术后:PSS治疗。但是,对于高密度的样品,特别是那些大于3毫克的样品 −1PSS工艺对板材电阻的影响最小。这一观察的根本原因与高密度的AGW样品的结构有关,因为它们在其网络中具有更多的交叉点。这些连接电阻是平行连接的,这意味着与低密度的对应样品相比,高密度的AGW样品受连接电阻的影响较小。由于PSS主要作用于降低连接电阻,它自然而然地对降低在低密度的样品的板材电阻有更重要的影响。

根据图表 3a–c 测定了不同浓度样品的透光率与板材电阻的关系。如图所示 3d ,两条曲线在西103度左右有一个交点 −1 .目标板材电阻高于103W平方米的样本 −1 ,PSS工艺可以帮助获得更高的透光率。然而,对于需要不大于此的片材电阻的样品,PSS工艺并不理想,因为它可能导致较低的透光率。在我们的例子中,图案表面上的阿格努电极是用于可重构的液晶器件,其中板材电阻范围在数百平方米以内。 −1 是可取的。

为了更好地了解衬底的行为,在PSS过程之前和之后捕捉到了扫描电镜图像。 图形 4.在PSS应用之前,该材料均匀分布在衬底上,导致纳米线重叠,以创建一个良好连接的AGW网络。扫描电镜图像证实了在基材的平面和角区域的均匀性和连通性。此外,图像显示,较高浓度的AGW悬架导致了网络的密集,但导致减少光传输。在PSS层的沉积作用下,扫描电镜图像显示,这种导电聚合物封装了这些物质。这种封装降低了AGWW网络的整体电阻,从而有助于随后减少板材电阻。

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图4
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a)菲涅耳透镜结构低放大扫描电镜图像。(b)在佩多特之前的平面区域上的阿格尼斯网络:PSS过程。(c)在佩多之后的平面区域上的阿格尼斯网络:PSS过程。(d)阿格尼斯网络在图案区。(e)由皮多特封装的《阿格尼斯》:PSS。
除了降低片材电阻外,PSS还可以降低表面粗糙度,这对在基材上制造液晶电池是有益的。粗糙的表面对液晶分子有锚定作用,会引起光变形。在…里面 图形 5 用AFM图像证明了PSS工艺可以降低表面粗糙度。图形 5a,b 在3毫克毫升的后处理前后 −1 样品,在表面粗糙度显著降低的过程。PSS法前表面高度差为368.9纳米,后降至97.9纳米。

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图5
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(a)3毫克毫升 −1 样品前:PSS流程和B)后流程。
此外,还使用了德克塔克轮廓测量器来测量未涂布菲涅耳透镜的几何形状。 图形 6a .这种表面结构使菲涅耳透镜能够聚焦光线和放大物体。为确保衬底的光学性质不受涂覆层的影响,如下图所示,样品的表面几何是在沉积前后用测深仪测量的。 6b .与未涂布的样品相比,涂层衬底上的图案在角处略圆,但其余部分保持其结构。这个结果证实了基片仍然是功能性的,过程不会影响其光学性质。

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图6
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a)未涂布菲涅耳透镜的基本结构;b)未涂布样品与2毫克毫升透镜的比较 −1 样品。
4项申请
由于其优良的电导性、机械弹性和导热性,研究了透明加热器的热性能。因此,我们展示了一个应用程序,在那里,一个由菲涅耳透镜覆盖的透明加热器。菲涅耳透镜在投影机和增强现实(AR)眼镜等光学设备中的使用非常突出。该加热器的主要功能是在操作过程中去除菲涅耳透镜上的水分,确保最佳的图像质量。新制备的加热器的红外热图像 图形 7a ,在不同电压下,从500mV到3V。这些图像显示,加热器的温度在25到55℃之间,随着电压的增加呈指数上升。这种行为主要归因于《阿格尼斯》中的焦耳效应。然而,需要注意的是菲涅耳透镜的独特形状和设计可能会引起影响红外辐射分布的扭曲。这种扭曲可能会影响温度分布测量的准确性,这可能是图中所示热分布不均背后的原因。 7a .此外,还进行了循环试验,以评估透明电极的稳定性.这些测试显示了值得称赞的循环稳定性,保持了如图所示的一致值 7b .由于这种加热器能够提供均匀的温度分布和已证实的循环稳定性,因此在各种应用中可能是有用的,包括在投影机或太阳能收集器中去除菲涅耳透镜。在图案表面上的透明电极对于可重构光学器件的未来具有很大的潜力。例如可调谐焦点镜头和Zbd。这方面的持续研究可能导致这一领域的进一步发展。

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图7
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a)与0.5V的0.5-3V台阶相应的热剖面图像,使用红外摄像机,尺寸条在右侧。(b)每一步的加热周期为0.5至3V,30秒。
5.结论
在本文中,我们提出了一种在有图案的表面上沉积阿格乌材料的方法,并研究了不同浓度的阿格乌悬浮剂如何影响透光率和板材电阻。首先,在Pvc菲涅耳透镜上均匀沉积不同浓度的阿格努悬浮液。第二,在任何后处理之前,都要测量透光率和板材电阻。保存在1毫克毫升中的样品 −1 悬架的平均阻力为373.75瓦/平方米 −1 在550纳米时,其透光率约为94%,而5毫克毫升 −1 在550纳米时,样品的片抗率为8.02,透光率为69%.然后,对PSS工艺进行了研究,以降低板材的电阻.根据我们的测量,1毫克和2毫克毫升之间的板材电阻显著下降 −1 样品,从373.75到231.48,以及187.83到188.84平方米 −1 分别。但是,对于低电阻的样品,如悬浮物超过3毫克毫升的样品 −1 PSS工艺对进一步降低板材电阻的影响有限。分析表明:PSS工艺可使目标板材电阻大于103平方米的板材电极受益。 −1 .在我们的案例中,这项工作的目标是可重构液晶透镜和Zbd器件。根据先前的研究,研究人员已经表明,具有21.3-650平方米耐片状物质 −1 开关基本液晶电池时表现出类似的性能。因此,PSS工艺在这些未来型液晶器件中有利于AGW透明电极的应用。

与以往对平面的研究相比,由于衬底的性质,此项工作具有相对较高的相同透光率的片材电阻。任何将热压缩引入到表面的后处理都可能损坏图案。因此,只有有限的后处理方法适用于这种衬底。然而,PVC衬底具有成本低、制造方便和可重新调整等优点.本文提出了一种可行的纳米线沉积在图案表面的方法。通过研究其他后处理技术,在不影响衬底透光率的情况下,可以进一步改进该方法。