UV-Behandlung flexibler Kupfer-Nanodraht-Gitterfilme für transparente Leiteranwendungen

Hintergrund

Die Verwendung von transparenten leitfähigen Elektroden (TCEs) ist in vielen alltäglichen Geräten wie Touchscreens, Displays, Solarzellen und Leuchtdioden unerlässlich [1,2,3,4,5]. Anforderungen an diese Art von Bauelementen sind hervorragende optoelektronische Eigenschaften für die gewünschten Anwendungen und ein kostengünstiges Herstellungsverfahren in großem Maßstab. Die TCE-Transparenz bei einer Wellenlänge von 550 nm, T _550 nm , beträgt in der Regel ca. 90%. Ihr Schichtwiderstand R s, kann von ≤ 20 Ω sq ⁻¹ . variieren für Solarzellen bis ≥ 100 Ω sq ⁻¹ für kapazitive Touchscreens [1,2,3,4,5].

Derzeit ist Indium-Zinn-Oxid (ITO) das am häufigsten verwendete Material für TCE, weist jedoch mehrere Nachteile auf. Es ist aufgrund der Indiumknappheit und des verwendeten langsamen physikalischen Dampfabscheidungsprozesses teuer. Darüber hinaus ist es spröde [1,2,3,4,5], was seine Verwendung für organische, flexible oder biegsame Anwendungen verhindert. Tatsächlich bildet es nach wenigen Biegezyklen Mikrorisse, die die elektrische TCE-Leitfähigkeit erheblich reduzieren [6,7,8,9,10]. Um diese Probleme anzugehen, haben sich die Forscher auf verschiedene alternative Materialien wie Poly(3,4-ethylendioxythiophen)poly(styrolsulfonat) [11, 12], Graphen [13, 14], Kohlenstoffnanoröhren [15, 16], Ag-Nanodrähte ( NWs) [17,18,19] und Cu-NWs [3, 5]. Letzteres ist aufgrund seiner Cu-Häufigkeit, geringen Kosten und hoher elektronischer Leitfähigkeit eines der vielversprechendsten Materialien [3, 5]. Außerdem können Cu-NWs durch eine kostengünstige nasschemische Synthese im großen Maßstab hergestellt werden [20,21,22] und mit einer kostengünstigen Hochgeschwindigkeits-Rolle-zu-Rolle- (oder Rolle-zu-Rolle-) Rolle, R2R)-Prozess [6, 9]. Schließlich ermöglicht ihre hohe Flexibilität dem TCE, auch nach 1000 Biegezyklen eine stabile Leistung aufrechtzuerhalten [7, 8, 10, 23, 24].

Die chemische Synthese von Cu NW umfasst ein Verkappungsmittel, im Allgemeinen ein Alkylamin wie Oleylamin (OM) [10, 22, 24,25,26,27], Octadecylamin [28, 29], Hexadecylamin [8, 20, 30, 31] oder Ethylendiamin [7, 21, 23, 32], das Cu-Nanopartikel (NPs) anisotrop wachsen lässt. Das NW-Seitenverhältnis (Länge/Durchmesser) ist von größter Bedeutung, denn je höher es wird, desto geringer muss der von den NWs bedeckte Flächenanteil sein, um ein perkoliertes Netzwerk zu erhalten, und desto transparenter ist der TCE [33,34,35 ,36]. Diese Verkappungsmittel hinterlassen jedoch selbst nach ausgiebigem Waschen in verschiedenen Lösungsmitteln Rückstände auf der Oberfläche der NWs. Außerdem werden die NWs vor der TCE-Bildung häufig unter Verwendung eines Dispergiermittels wie Polyvinylpyrrolidon (PVP) [22, 23, 26, 30] oder Nitrocellulose [7, 32] in eine Nanotinte suspendiert. All diese organischen Rückstände behindern den guten NW-Kontakt im Netzfilm und verringern daher die TCE-Leitfähigkeit signifikant. Tatsächlich haben Mutiso et al. zeigten, dass der Schichtwiderstand eines NW-TCE fast dem Kontaktwiderstand zwischen den NWs entspricht [36].

Folglich ist eine Nachbehandlung erforderlich, um organische Rückstände nach der Bildung eines Cu-NW-TCE zu entfernen. Es handelt sich im Allgemeinen um eine Hochtemperaturbehandlung unter Vakuum [24, 25], inert [22], reduzierend (reines H₂ ) [7] oder Umformen (5% H₂ .) –95 % Inertgas) [26, 27] Atmosphäre. Dadurch wird eine Cu-Oxidation vermieden, während organische Rückstände entfernt und die NW-Übergänge verschmolzen werden. Dies ist jedoch weder für eine kostengünstige Hochgeschwindigkeitsproduktion noch für ein flexibles Polymersubstrat mit niedriger Schmelztemperatur geeignet. Daher wurden alternative Nachbehandlungen getestet und haben sehr vielversprechende Ergebnisse geliefert. Behandlungen mit Milchsäure [8], Salzsäure [30], Propionsäure [27] oder Essigsäure [10, 29] erwiesen sich beispielsweise als sehr effizient, um organische Rückstände von der Oberfläche von Cu-NWs zu entfernen, ohne die Polymersubstrate zu beschädigen. Nach einer Essigsäurebehandlung haben Mayouse et al. erhielten auf Polyethylennaphthalat gestützte TCEs mit R s-Werte von 9 und 55 Ω sq ⁻¹ für ein entsprechendes T _550 nm von 88 und 94 % [29]. Unter Verwendung derselben Säure haben Wang et al. entwickelte TCEs auf Polyethylenterephthalat (PET)-Substraten mit einem R s von 30 und 60 Ω sq ⁻¹ für jeweilige T _550 nm Werte von 83 und 90 % [10]. Außerdem ermöglichte photonisches Sintern unter Verwendung von Xenon-Blitzlampenpulsen das Verschmelzen der NW-Übergänge, während unerwünschte organische Stoffe in der Umgebungsluft in wenigen Millisekunden entfernt wurden [31, 37]. Dinget al. gemeldet 23 Ω sq ⁻¹ für T _550 nm = 82 % [37]. Mallikarjunaet al. ein R erhalten s von 110 und 170 Ω sq ⁻¹ für ein T _550 nm von 90 bzw. 95 % [31]. Obwohl photonisches Sintern sehr vielversprechend erscheint, müssen daher weitere Anstrengungen unternommen werden, um R . zu erhalten s <100 Ω sq ⁻¹ mit T _550 nm ≥ 90 %.

In dieser Arbeit synthetisierten wir Cu-NWs mit hohem Aspektverhältnis unter Verwendung von OM als Lösungsmittel, Verkappungs- und Reduktionsmittel und einer Nickel(II)-Spezies als Katalysator. Die NWs wurden dann in einer Tinte dispergiert und auf flexible PET-Substrate aufgetragen, um TCEs zu bilden. Eine Nachbehandlung war erforderlich, um sowohl eine hohe Leitfähigkeit (42 Ω sq ⁻¹ ) und Transparenz (87% im sichtbaren Bereich). Es handelte sich um eine Bestrahlung unter einer Ultraviolett-(UV)-Lampe, gefolgt von einem Essigsäurebad, die beide mit einem R2R-Prozess kompatibel sind [6, 9, 38, 39]. Die UV-behandelten Cu-NW-TCEs wurden mit herkömmlich thermisch behandelten Cu-NW-TCEs und mit kommerziellem ITO verglichen.

Experimenteller Abschnitt

Kupfer(II)chlorid-Dihydrat (CuCl₂ .) ·2H₂ O, ≥ 95,0% rein), Nickel(II)acetat-Tetrahydrat (Ni(C₂ H₃ O₂ )₂ ·4H₂ O, ≥ 99,0 % rein), OM (C₁₈ H₃₇ N, 70 % rein), wasserfreies Hexan (C₆ H₁₄ , 95,0 % rein), Essigsäure (C₂ H₄ O₂ , ≥ 99 % rein), Ethylacetat (C₄ .) H₈ O₂ , ≥ 99,7 % rein) und PVP ((C₆ H₉ NEIN) _n , 10.000 g mol ⁻¹ ) wurden von Sigma Aldrich UK bezogen. Isopropylalkohol (IPA, (C₃ .) H₈ O, ≥ 99,5% rein), PET-Substrate ((C₁₀ H₈ O₄ ) _n , 125 ± 25 μm dick) und ein glasgestütztes ITO-TCE wurden von Fisher Scientific UK, Goodfellow UK bzw. Optics Balzers, Liechtenstein, bezogen. Alle Chemikalien wurden wie erhalten verwendet.

Der Cu-NW-Syntheseprozess basierte auf einer katalytischen Methode, über die zuvor von Guo et al. berichtet wurde. [25]. 0,4092 g (2,4 mmol) CuCl₂ ·2H₂ O, 0,2986 g (12 mmol) katalytisches Ni(C₂ .) H₃ O₂ )₂ ·4H₂ 0, 25 ml OM und ein Magnetrührer wurden in einen 50 ml-Rundkolben gegeben. Der Kolben wurde in ein Ölbad auf einer Magnetrührer-Heizplatte (Modell 3810000 RCT Basic IKAMAG, IKA) gestellt und mit einer Rückflusskolonne mit einem oberen Inline-Ölsprudler verbunden. Die Lösung wurde zuerst 30 Minuten lang auf 90 °C unter kräftigem Rühren mit 800 U/min und konstantem N₂ . erhitzt Flow zum Entfernen von O₂ (g) und Wasserspuren. Zu diesem Zeitpunkt war die Lösung blau. Dann wurde die Temperatur auf 190 °C erhöht, um Cu ²⁺ . zu reduzieren Ionen und bilden Cu ⁰ Samen, und die Farbe der Lösung wurde allmählich rot. Nach 30 Minuten wurde das Rühren beendet und die Lösung bei 190 °C unter N₂ . gehalten 16 h lang, damit die Cu-NWs aus den Samen wachsen. Schließlich wurde das Erhitzen beendet und die Lösung auf natürliche Weise abkühlen gelassen.

Die Lösung wurde in ein 50-ml-Fläschchen überführt und nacheinander mit Hexan, IPA, Essigsäure und erneut IPA gewaschen. In jedem Lösungsmittel wurden die Cu-NWs 2 min im manuellen Modus gevortext (Modell Topmix FB15024, Fisher Scientific) und dann bei 4000 U/min zentrifugiert (Modell AccuSpin 400, Fisher Scientific). Die Zentrifugation dauerte 20 Minuten in Hexan und 2 Minuten in den anderen Lösungsmitteln. Schließlich wurden die Cu-NWs in eine Tinte eingearbeitet, die aus 26 Vol. % Ethylacetat und 74 Vol. % IPA mit 0,5 Gew. % PVP bestand. Die Cu-NW-Tinte wurde vor der Lagerung 30 Minuten lang bei 10 Hz gevortext. Die Cu-NW-Konzentration in der Tinte betrug entweder 10 oder 20 mg ml ^–1 .

Bevor die Beschichtungen durchgeführt wurden, wurde die Cu NW-Tinte noch einmal 5 min bei 10 Hz gevortext. Um ein 10 × 10 cm ² zu beschichten PET-Substrat, 100 μl Tinte wurden mit einer Mikropipette entnommen und auf das Substrat aufgetragen, um eine gerade Flüssigkeitslinie parallel zum oberen Rand zu bilden. Die Tinte wurde sofort und schnell mit einem Meyer-Stab (Nr. 4 von Dyne Testing UK, was einen ca. 10,2 µm dicken Nassfilm ergibt) auf dem PET-Substrat verteilt. Alle Lösungsmittel waren nach wenigen Sekunden bei Raumtemperatur verdampft.

An den erhaltenen Cu-NW-TCEs wurden zwei verschiedene Nachbehandlungen durchgeführt, um organische Rückstände (OM und PVP) zu entfernen. Einige TCEs wurden 1 h lang einer thermischen Behandlung bei 200, 210, 220, 230, 240 oder 250 °C unter N₂ . unterzogen in einem Röhrenofen (Modell MTF 10/25/130, Carbolite). Die anderen wurden 2, 4 oder 6 min lang mit einer 430-W-Lampe (Modell UVASPOT 400/T, Honle) an Umgebungsluft einer UV-Bestrahlung unterzogen. Die Lampe war mit einer Quecksilberdampflampe (H-Typ) ausgestattet und der Abstand zwischen der Lampe und den Proben betrug 30 cm. Nach einer thermischen oder UV-Behandlung wurden die TCEs 10 Minuten lang in reine Essigsäure getaucht, um organische Stoffe und mögliche Oxidspuren weiter zu entfernen.

Die Struktur der Cu-NWs wurde mit einem Röntgendiffraktometer (XRD, Modell D5005, Siemens) mit einer Bragg-Brentano-Konfigurationskammer, einer Cu-Antikathode (K _α = 0,154184 nm) und einem rückseitigen Monochromator. Die Röntgenbilder wurden mit einer DIFFRAC.SUITE EVA-Software (Bruker AXS) indiziert, die die JCPDS-Dateidatenbank enthält. Die Mikrostruktur und Zusammensetzung wurden unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops, ausgestattet mit einer Feldemissionskanone (FEG-SEM, Modell XL30 SFEG, Philips) und einem in-situ-Energiedispersionsspektrometer (EDS, Oxford Instruments-AZTEC) charakterisiert. Der TCE-Schichtwiderstand und die Transmission wurden mit der Vierpunktsondentechnik (Modell 3007 A, Kulicke &Soffa) bzw. einem UV-Vis/NIR (nahes Infrarot)-Spektrophotometer (Modell V-670, JASCO) gemessen.

Die Herstellungsparameter verschiedener TCEs sowie deren ID, R s und Transparenz sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die TCEs mit einem R s so hoch, dass sie mit der Vierpunktsondentechnik nicht gemessen werden konnten, sind in dieser Tabelle nicht enthalten und haben keine spezifische ID.

Ergebnisse und Diskussion

Die synthetisierten, gewaschenen Cu-NWs zeigten ein hohes Aspektverhältnis von ca. 1000 (durchschnittliche Länge und Durchmesser 70 μm bzw. 70 nm) mit sehr wenigen kubischen NPs, wie in Abb. 1a zu sehen. Letzteres deutet auf langsames Ni ²⁺ . hin Reduktionskinetik [3]. Das XRD-Muster von Abb. 1b beweist, dass die NWs aus Cu mit einer kubischflächenzentrierten Struktur Fm3m (in Übereinstimmung mit der PDF-Datei 04-0836) bestanden, ohne dass innerhalb der Grenzen der Apparatur (ca. 5 Gew.%). Insbesondere gibt es keinen Beugungspeak, der einem Kupferoxid oder einer Ni-haltigen Phase entspricht. Die hohe Reinheit der Cu-NWs wird weiter durch das EDS-Spektrum in Abb. 1c bestätigt. Die Spuren von Kohlenstoff und Sauerstoff wurden nichtkristallinen OM-Resten zugeschrieben, da durch XRD keine andere Phase als reines Cu nachgewiesen wurde, und es ist bekannt, dass es sehr schwierig ist, das gesamte OM ohne Nachbehandlung zu entfernen [10, 25, 27]. Innerhalb der Nachweisgrenze des EDS (ca. 0,1 Gew.-%) wurde keine Spur von Ni gefunden, was bestätigt, dass seine Rolle während der Synthese hauptsächlich katalytisch war, wie zuvor beschrieben [25, 26]. Das Silizium entspricht dem Wafer, der die NWs während der EDS-Analyse trägt, und dem Gold und Palladium, der metallischen Nanobeschichtung, die verwendet wird, um die Probenleitfähigkeit und damit die Analysequalität zu verbessern.

Wie synthetisierte Cu-NWs, bevor sie in die Nanotinte eingearbeitet werden. a REM-Aufnahme, die das hohe Aspektverhältnis (~ 1000) der Cu-NWs und einiger kubischer Cu-NPs zeigt. b XRD-Muster. c EDS-Spektrum zeigt die hohe Reinheit der gewaschenen Cu-NWs

Nach der Bildung der TCEs unter Verwendung eines Meyer-Stabs wurden entweder thermische oder UV-Nachbehandlungen verwendet, um OM- und PVP-Reste von der Cu-NW-Oberfläche zu entfernen und zu versuchen, sie miteinander zu verschmelzen. Abbildung 2 zeigt die Oberfläche des TCE 3, wo die NWs ein perkoliertes Netzwerk bilden, das erforderlich ist, damit das TCE durch sein gesamtes Gebiet leitend ist. Die NWs erscheinen sehr gut dispergiert, ohne irgendein Aggregat oder Bündel, das die TCE-Transparenz verringern würde. Dies bestätigt, dass die Meyer-Stabbeschichtung ein einfaches, schnelles und effizientes Verfahren ist, um großflächige, gut dispergierte, perkolierte NW-TCEs zu erhalten [2, 7, 32].

REM-Aufnahme mit geringer Vergrößerung des UV-behandelten TCE #3 (2 min) auf einem PET-Substrat:Es zeigt Meyer-Stab-beschichtete Cu-NWs, die ein gut dispergiertes, perkoliertes Netzwerk bilden

Abbildung 3 zeigt thermisch behandelte TCEs mit geschmolzenen (Abb. 3a) und PET-verkapselten (Abb. 3b) Cu-NWs. Tatsächlich sind während der thermischen Behandlung NW-Fusion und Verkapselung zwei konkurrierende Phänomene. Einerseits induziert die Hitze die Verschmelzung der Cu-NW-Übergänge, von der erwartet wird, dass sie die TCE-Leitfähigkeit stark erhöht, indem der Kontaktwiderstand zwischen den NWs verringert wird. Andererseits wird das PET aufgrund seiner niedrigen Glasübergangstemperatur (70 °C) während der thermischen Behandlung erweicht. Dies führt zu einer Einbettung der Cu-NWs in das Polymersubstrat und damit zu einem Leitfähigkeitsverlust. Die Herausforderung besteht daher darin, bei einer Temperatur zu arbeiten, bei der die Verschmelzung das Einkapselungsphänomen überschreitet, was die TCE-Leitfähigkeit insgesamt erhöht. Es zeigte sich, dass Fusions- und Einkapselungsphänomene bei 220 °C (TCE #1) bzw. 230 °C (TCE #2) dominieren. Nach einer thermischen Behandlung bei 200 oder 210 °C konnte keine Leitfähigkeit gemessen werden, da sich noch zu viele organische Rückstände um die Cu-NWs herum befanden und diese nicht miteinander verschmolzen waren. Infolgedessen war der Übergangswiderstand zwischen den NWs immer noch sehr hoch. Und nach einer Wärmebehandlung bei 240 oder 250 °C konnte keine Leitfähigkeit gemessen werden, da das Einkapselungsphänomen zu wichtig war.

REM-Bilder von thermisch behandelten, PET-unterstützten TCEs. a Geschmolzen (TCE #1, 220 °C/1 h). b PET-verkapselt (TCE #2, 230 °C/1 h) Cu NWs

Die mikroskopische Aufnahme von Fig. 4 zeigt die stark vergrößerte Draufsicht des TCE #3. Die Cu-NW-Oberfläche erscheint sauber und nicht eingekapselt, was beweist, dass die OM- und PVP-Spuren entfernt wurden, ohne das PET-Substrat aufzuweichen und zu beschädigen. Allerdings sind die NW-Übergänge nicht verschmolzen, was wahrscheinlich an einer geringeren Energieabgabe der in dieser Studie verwendeten UV-Lampe im Vergleich zu den von anderen Autoren verwendeten Hochleistungs-Xe-Blitzlampen liegt [31, 37]. Außerdem ist die Cu-NW-Oberfläche leicht rau, was auf eine beginnende Oxidation zurückzuführen sein kann. Eine Verringerung des Abstands zwischen der UV-Lampenbirne und dem TCE könnte es ermöglichen, eine höhere Energie in kürzerer Zeit zu übertragen und somit die Cu-NWs-Fusion zu erreichen, während ihre Oxidation vermieden wird.

REM-Aufnahme des UV-behandelten TCE Nr. 3 (2 min) mit nicht verschmolzenen, nicht eingekapselten Cu-NWs

Tabelle 1 zeigt den Schichtwiderstand R s und die Transmissionswerte T _550 nm , T _{350–750 nm} (sichtbarer Bereich) und T _{750–2500 nm} (IR-Bereich) verschiedener Cu-NW-TCEs und eines kommerziellen ITO-TCE als Referenz. Die Transmissionsspektren zwischen 300 und 2500 nm sind in Abb. 5 dargestellt. Für alle Cu-NW-TCEs ist T _550 nm und T _{350–750 nm} sind fast identisch, was beweist, dass T _550 nm repräsentiert sehr gut die durchschnittliche Transmission eines Cu NW TCE im gesamten sichtbaren Bereich. Es gibt jedoch einen Unterschied von 6% zwischen den beiden Parametern für ITO/ref., was bedeutet, dass die Verwendung von T _550 nm statt T _{350–750 nm} führt zu einer überschätzten Transparenz im sichtbaren Bereich für diese Art von transparentem Oxid.

UV-Vis/NIR-Transmissionsspektren zwischen 300 und 2500 nm:Sie entsprechen einem kommerziellen, glasunterstützten ITO-TCE und entweder thermisch oder UV-behandelten, PET-unterstützten Cu-NW-TCEs

Ein R s von 25 und 743 Ω sq ⁻¹ , für ein T _{350–750 nm} von 61 und 46% wurde für die TCEs #1 bzw. #2 gemessen. Dies bestätigt, dass die NW-Fusion ihre Einkapselung im PET-Substrat bei 220 °C überwiegt und somit R . verringert S. Bei 230 °C ist das Gegenteil der Fall. Darüber hinaus können zwei Gründe das niedrige T . erklären _{350–750 nm} Werte, die für die TCEs Nr. 1 und Nr. 2 erhalten wurden, verglichen mit 84% für ITO/ref. Erstens die hohe Konzentration von Cu-NWs in der Tinte (20 mg ml ⁻¹ ) führen zu einer hohen Flächenanteilbedeckung. Zweitens wurde das PET-Substrat während der thermischen Behandlungen beschädigt.

Bei den UV-behandelten TCEs wurden zwei Hauptmerkmale beobachtet. Erstens:Erhöhen der Cu-NW-Konzentration von 10 auf 20 mg ml ⁻¹ verringerten sowohl den Schichtwiderstand als auch die Transparenz. Nach einer 2-minütigen UV-Behandlung R s sank von 42 auf 31 Ω sq ⁻¹ und das entsprechende T _{350–750 nm} , von 87 bis 67 %. Nach einer 4-minütigen UV-Behandlung R s sank von 103 auf 49 Ω sq ⁻¹ und das entsprechende T _{350–750 nm} , von 89 auf 71 %. Dies stimmt sowohl mit den zuvor berichteten theoretischen als auch mit experimentellen Ergebnissen überein:Eine Erhöhung des von den NWs bedeckten Flächenanteils verringert sowohl den Schichtwiderstand als auch die Transparenz eines TCE [33,34,35,36]. Zweitens erhöhte sich durch die Verlängerung der UV-Bestrahlungszeit signifikant R s aber nur geringfügig die Transparenz. Zum Beispiel bei einer Tintenkonzentration von 20 mg ml ⁻¹ , die TCEs #5 (2 min), #6 (4 min) und #7 (6 min) hatten ein R s von 31, 49 und 236 Ω sq ⁻¹ , mit entsprechendem T _{350–750 nm} Werte von 67, 71 bzw. 73 %. Und mit einer Tintenkonzentration von 10 mg ml ⁻¹ für die TCEs #3 und #4, R s erhöht von 42 auf 103 Ω sq ⁻¹ , mit entsprechendem T _{350–750 nm} Werte von 87 und 89%. Es ist erwähnenswert, dass diese Leistungen den säurebehandelten TCEs von Wang et al. (30 und 60 Ω sq ⁻¹ .) sehr ähnlich sind mit entsprechendem T _550 nm von 83 und 90 %) [10]. Sie befinden sich auch in der Nähe der mit Blitzlampen behandelten TCEs von Mallikarjuna et al. (110 und 170 Ω sq ⁻¹ mit entsprechendem T _550 nm von 90 und 95 %) [31]. Die TCEs von Tinten mit Konzentrationen von 10 und 20 mg ml ⁻¹ wurde nach UV-Behandlungen von mehr als 4 bzw. 6 Minuten nicht leitend. Unabhängig von der Tintenkonzentration ist ein niedriger R s wurde nach 2 min UV-Bestrahlung erhalten. Dies bedeutet, dass die meisten organischen Stoffe entfernt wurden und dass die Cu-NWs trotz fehlender Fusion in engem Kontakt standen. Dies wurde durch die Tatsache bestätigt, dass die Transparenz nach 2 Minuten der nach längeren UV-Behandlungen sehr nahe war. Wenn die UV-Bestrahlungsdauer in der Umgebungsluft zunimmt, ist es wahrscheinlich, dass aufgrund einer Temperaturerhöhung eine Oxidation auftrat. Die Oxidschicht auf der NW-Oberfläche wurde dicker, wodurch der Kontaktwiderstand erhöht wurde. Es blieb jedoch dünn genug, um die Transparenz nicht wesentlich zu verringern. Die recht stabile Transparenz über den Zeitraum von 2–6 min bedeutet auch, dass die PET-Substrate während der UV-Behandlungen nicht abgebaut wurden. Folglich wird nur der hohe Flächenanteil, der von den NWs auf den TCEs #6 und #7 abgedeckt wird (20 mg ml ⁻¹ Tinte) war verantwortlich für die T _{350–750 nm} Werte niedriger als beim ITO/ref. Tatsächlich bei einer Tintenkonzentration von 10 mg ml ⁻¹ , T _{350–750 nm} für die TCEs #3 (87%) und #4 (89%) war etwas höher als für die ITO/Ref. (84%).

Darüber hinaus ist es erwähnenswert, dass T _{750–2500 nm} ist für jeden Cu NW TCE signifikant höher als für den ITO/ref. (50%). Dies kann trotz des Abbaus der PET-Substrate bei den thermisch behandelten TCEs Nr. 1 (65 %) und Nr. 2 (57 %) beobachtet werden. Dies ist noch interessanter für UV-behandelte TCEs, insbesondere #3 und #4, die T . haben _{750–2500 nm} Werte von 89 bzw. 91 %. Dies bedeutet, dass Cu-NW-TCEs für Anwendungen wie IR-Bildgebung und -Sensorik, elektromagnetische Abschirmung, Telekommunikation oder IR-Solarzellen viel besser geeignet sind als ITO, das bekanntermaßen eine schlechte Transmission im IR-Bereich hat [1, 7, 25, 29].

Schließlich unterstreicht der Vergleich zwischen den Ergebnissen von thermisch und UV-behandelten Cu-NW-TCEs die Vorteile des letztgenannten Verfahrens. Für das thermisch behandelte TCE Nr. 1 (25 Ω sq ⁻¹ .) wurden recht ähnliche Leistungen gemessen mit T _{350–700 nm} = 61 %) und das UV-behandelte TCE #3 (31 Ω sq ⁻¹ .) mit T _{350–700 nm} = 67 %. Die UV-Bestrahlung dauerte jedoch 30-mal kürzer als die thermische Behandlung und beschädigte weder das PET-Substrat noch erforderte sie eine kontrollierte Atmosphäre. Darüber hinaus ist eine UV-Behandlung in Umgebungsluft mit einem industriellen R2R-Prozess kompatibel. Weitere Arbeiten werden eine schnelle, kostengünstige Massenproduktion mit einer R2R-Plattform, einer Schlitzdüse, einer UV-Lampe und einem Säurebad erwägen [38, 39]. Vorversuche wurden bereits im Labormaßstab mit einer Spritzenpumpe durchgeführt, die 15 ml h ⁻¹ . injiziert Cu-NW-Tinte in einer Schlitzdüse und einem Tisch, der ein PET-Substrat mit 10 mm s ^–1 . bewegt . Bisher erhaltene Ergebnisse auf 2 × 5 cm ² Beschichtungen haben eine optimale Unterlegscheibenbreite von 100 μm und einen Spalt zwischen Schlitzdüse und Substrat von 80 μm vorgeschlagen.

Schlussfolgerungen

Cu-NWs mit hohem Aspektverhältnis (Länge/Durchmesser =1000) wurden durch eine nasschemische, katalysatorunterstützte Route synthetisiert. Anschließend wurden sie verwendet, um TCEs auf flexiblen PET-Substraten unter Verwendung der Meyer-Rod-Technik herzustellen. Eine UV-Behandlung und ein Säurebad wurden durchgeführt, um organische Rückstände von der NW-Oberfläche zu entfernen und sowohl einen niedrigen Schichtwiderstand als auch eine hohe Transparenz zu erzielen. Dieses Verfahren lieferte bessere Ergebnisse als eine herkömmliche thermische Behandlung, 30-mal schneller und ohne eine kontrollierte Atmosphäre zu benötigen. Zweiundvierzig und 103 Ω sq ⁻¹ , mit entsprechendem T _{350–750 nm} von 87 bzw. 89 % waren die besten Leistungen, die für UV-behandelte TCEs erzielt wurden, was den Anforderungen für flexible kapazitive Touchscreens entspricht. Ein sehr interessantes Ergebnis ist, dass die Transparenzwerte der Cu-NW-TCEs im IR-Bereich gehalten wurden, wo das Referenz-ITO-TCE ein sehr niedriges T . aufwies _{750–2500 nm} von 50%. Daher sind die für diese Studie hergestellten Cu-NW-TCEs eine vielversprechende Alternative zu Oxid-TCEs für Anwendungen wie IR-Bildgebung und IR-Solarzellen. Schließlich sind die Cu-NW-Tinte und das PET-Substrat sowie die UV- und Essigsäure-Nachbehandlungen, die in dieser Studie verwendet wurden, mit einem industriellen, skalierbaren, kostengünstigen Hochgeschwindigkeits-R2R-Prozess kompatibel.

Abkürzungen

IPA:

Isopropylalkohol

IR:

Infrarot

ITO:

Indium-Zinn-Oxid

NP:

Nanopartikel

NW:

Nanodraht

OM:

Oleylamin

PET:

Polyethylenterephthalat

PVP:

Polyvinylpyrrolidon

R2R:

Rolle-zu-Rolle

TCE:

Transparente leitfähige Elektrode

UV:

Ultraviolett