Flexibele transparante elektroden op basis van gouden nanomeshes

Resultaten en discussies

Het theoretische model wordt gevalideerd door de gesimuleerde resultaten te vergelijken met de experimentele gegevens. De transmissie bij 550 nm en de plaatweerstandseigenschappen van zes verschillende monsters op basis van de gesimuleerde en experimentele gegevens worden getoond in Fig. 3. Samen met de toename van de draadbreedte tussen de openingen, namen zowel de transmissie als de plaatweerstand af. In het bijzonder is de variatietrend van gesimuleerde gegevens lineair. De gemeten transmissie- en plaatweerstandseigenschappen zijn in overeenstemming met de gesimuleerde eigenschappen, die aangeven dat de NSL-fabricagemethode betrouwbaar is. De grootste transmissie van 89% en een plaatweerstand van 104,5 /□ werden gemeten bij de kleinste draadbreedte van 100 nm, en de grootste draadbreedte van 175 nm levert een transmissie van 65% en een plaatweerstand van 16,5 /□ op. Uit geometrische overwegingen komt een hogere transmissie voort uit grotere openingen, namelijk een kleinere draadbreedte vanwege de afname van de etstijd voor PS-bollen, wat resulteert in een kleiner gebied om het licht te blokkeren. Een kleinere draadbreedte resulteert echter in een toename van de weerstand van het vel als gevolg van verminderde geleidende paden voor elektronen om te stromen.

Doorlaatbaarheid en plaatweerstand vs. draadbreedte tussen openingen van AuNM (bij λ =550 nm en dikte =20 nm)

Opgemerkt moet worden dat de transmissie en de plaatweerstand lineair afnamen naarmate de draadbreedte tussen de openingen toenam in gesimuleerde resultaten dankzij de perfecte periodiciteit van gesimuleerde modellen. Integendeel, prestaties van transmissie en plaatweerstand in de experimentele resultaten lijden aan degradatie als gevolg van min of meer onvermijdelijke defecten, onzuiverheden en oppervlakteruwheid.

Om het potentieel van AuNM voor gebruik als transparante elektrode te maximaliseren, is het typisch wenselijk om een ​​hoge transmissie en een lage plaatweerstand te hebben. Het bereiken van een goede afweging tussen transmissie en geleidbaarheid van AuNM was echter een uitdaging omdat de twee eigenschappen omgekeerd evenredig zijn. Om dit probleem aan te pakken, hebben we hierin theoretisch het effect van AuNM-dikte op doorlaatbaarheid en plaatweerstand geanalyseerd. Alle simulaties werden uitgevoerd bij dezelfde golflengte van 550 nm, 160 nm gemiddelde draadbreedte tussen de openingen en een dikte van 10 tot 100 nm. Aanvullend bestand 1:Figuur S3 toont de potentiële distributiekaart van AuNM bij constante stroom. In de beginfase in Fig. 4 resulteert de toename van de AuNM-dikte in een snelle afname van de plaatweerstand, die langzaam afneemt na de dikte van 40 nm. De dikkere AuNM voorbij 40 nm dichtbij het gemiddelde vrije pad van elektronen in Au-metaal kan de geleidbaarheid niet significant verhogen [31]. Ondertussen is lange tijd een hoge doorlaatbaarheid gehandhaafd, die langzaam afneemt. Dikkere AuNM zou de geleidende paden voor elektronen om te stromen vergroten, wat een lage plaatweerstand oplevert met een lichte verslechtering van de transmissie als gevolg van constante openingen en draadbreedte.

Doorlaatbaarheid en plaatweerstand vs. de AuNM-dikte (bij λ =550 nm en W5 =160 nm)

Er zouden inspanningen kunnen worden geleverd om de doorlaatbaarheid en geleidbaarheid van dergelijke metalen nanomesh te verbeteren door de AuNM-dikte passend te vergroten met niet meer dan 40 nm, het gemiddelde vrije pad van elektronen in Au-metaal.

Een overtuigende eigenschap van AuNM is een goede mechanische flexibiliteit. De invloed van spanning op de plaatweerstand werd onderzocht om de mechanische flexibiliteit van de AuNM onder buigen te onderzoeken. Om de analyse te vergemakkelijken, is een monster van Au-bulkfilm met dezelfde parameters als een modeltegenhanger van numerieke Au-bulkfilm (dikte ~  20 nm) op PET-folie (dikte ~  500 m) gefabriceerd. De inzetstukken tonen kaarten van de AuNM-elektroden tijdens respectievelijk buigtest en buigsimulatie. Aanvullend bestand 1:Afbeelding S4 toont de spanningsverdelingskaart van de AuNM-elektroden tijdens buigsimulatie onder 1,5 × 10 ⁹ N/m ² kracht bij de Y richting, waaruit blijkt dat de spanning voornamelijk geconcentreerd is in het centrum van AuNM. Zoals getoond in Fig. 5, vertoonde in de buigtest, ten eerste, de Au bulkfilm met maximale draadbreedte tussen de openingen een dramatische toename van de plaatweerstand bij spanning boven 1,9% en de slechtste flexibele prestatie. Zes AuNM-elektroden behielden echter hun aanvankelijke weerstand totdat de rekverhouding 2,1% bereikte. Tegelijkertijd hebben de AuNM-elektroden, naarmate de draadbreedtes tussen de openingen afnamen, geleidelijk last van elektrische storingen, als gevolg van het volledig uitvallen van de AuNM-elektroden.

Het stamniveau vs. R /R ₀ voor AuNM-elektroden en Au-bulkfilm (R /R ₀ , waar R ₀ is de initiële weerstand onder nulspanning). De inzetstukken tonen kaarten van de AuNM-elektroden tijdens respectievelijk buigtest en buigsimulatie

Het is niet moeilijk om de AuNM-elektroden te vinden met een maasstructuur die een hogere tolerantie vertoont dan de Au-bulkfilm, en de AuNM-elektroden met een kleinere draadbreedte tussen de openingen vertonen betere flexibele prestaties. De uitgeoefende kracht op monsters zal trekspanning veroorzaken, die kan worden opgevangen door rotaties in het vlak en vervorming van periodieke nanomesh zonder breuk van AuNM [32]. Au-bulkfilm kan echter niet de toegepaste trekspanningen opvangen, die de breuk veroorzaken op het drempelpunt van trekspanningen en elektrisch falen.

De gesimuleerde resultaten laten een goede overeenkomst zien met de experimentele resultaten, behalve dat het drempelpunt van trekspanningen in de gesimuleerde resultaten (dicht bij 1,2) lager is dan de experimentele resultaten. Dit komt doordat de gefabriceerde monsters met een grootte van enkele vierkante centimeters meer trekspanningen kunnen opvangen dan de gesimuleerde modellen met een grootte van enkele vierkante microns.

Om de elektrodestabiliteit te beoordelen, werd bovendien de waarde van de velweerstand van de AuNM-elektroden gemeten naarmate de buigtest vorderde. AuNM-elektroden op PET-folie werden gebogen tot 400 cycli onder een minimale kromtestraal van 5 mm en maximaal 15 mm, zoals weergegeven in Fig. 6, wat de goede flexibele stabiliteit laat zien.

De plaatweerstand vs. buigcycli in de mechanische buigtest van AuNM (bij W5 =160 nm en dikte =20 nm)

Conclusies

Concluderend laten de huidige resultaten zien dat de flexibele transparante AuNM-elektroden kunnen worden gesynthetiseerd met behulp van de veelzijdige NSL-techniek. De resulterende AuNM-elektrode met hexagonale, uniforme en periodieke nanostructuur vertoonde een uitstekende transmissie en plaatweerstand. De gesimuleerde resultaten laten een goede overeenkomst zien met experimentele resultaten, die aangeven dat de NSL-fabricagemethode betrouwbaar is. Een goede afweging tussen transmissie en geleidbaarheid van AuNM kan worden bereikt door de AuNM-dikte passend te vergroten met niet meer dan 40 nm, het gemiddelde vrije pad van elektronen in Au-metaal. In het flexibiliteitsonderzoek vertonen de AuNM-elektroden met maasstructuur een hogere tolerantie dan de Au-bulkfilm, en de AuNM-elektroden met een kleinere draadbreedte tussen de openingen kunnen meer trekspanningen opvangen dan een tegenhanger met een grotere draadbreedte tussen de openingen; de mechanische buigtest toont de goede flexibele stabiliteit van AuNM aan. De geprepareerde AuNM-elektroden met een hoge doorlaatbaarheid, lage plaatweerstand en uitstekende flexibiliteit vormden een veelbelovende benadering voor grootschalige flexibele transparante AuNM-elektroden van de volgende generatie, met brede bruikbaarheid voor toepassingen in flexibele elektronica, waaronder biosensoren en opto-elektronische apparaten.