Verbesserung flexibler transparenter Leiter: UV-Nachbehandlung von Kupfer-Nanodraht-Mesh-Filmen

Zusammenfassung

Kupfernanodrähte haben das Potenzial, die Leistung von Indium-Zinn-Oxid (ITO) als flexible transparente leitende Elektroden zu erreichen und sogar zu übertreffen. Für eine großskalige Produktion müssen sie jedoch in einem Hochgeschwindigkeits-, Niedrigkostenverfahren hergestellt werden, ohne den flexiblen Substrat zu degradieren. Ein Hauptflaschenhals liegt in der Nachbehandlung zur Entfernung organischer Rückstände von der Nanodraht-Oberfläche nach Bildung der transparenten Elektrode, die notwendig ist, um hohe optoelektronische Leistungen zu erzielen. Hier schlagen wir eine Ultraviolett-Bestrahlung und ein anschließendes Essigsäurebad als einfache, skalierbare, schnelle Nachbehandlung vor. Nach nur 2 min UV-Behandlung, gefolgt von 10 min Säurebad, wurden ein R_s von 42 Ω □⁻¹ und ein T_{550 nm} von 87 % gemessen. Zudem behielten Kupfernanodraht-Elektroden ihre hohe Transparenz im Bereich 750–2500 nm, was sie zu guten Kandidaten für Anwendungen wie Infrarot-Solarzellen macht.

Hintergrund

Der Einsatz transparenter leitender Elektroden (TCEs) ist in vielen Alltagsgeräten wie Touchscreens, Displays, Solarzellen und Leuchtdioden essenziell [1–5]. Anforderungen an diese Komponenten sind herausragende optoelektronische Eigenschaften passend zur gewünschten Anwendung und eine niedrigkostige, großskalige Produktionsmethode. Die TCE-Transparenz bei 550 nm Wellenlänge, T_{550 nm}, beträgt typischerweise ca. 90 %. Ihr Flächenwiderstand R_s kann von ≤ 20 Ω □⁻¹ für Solarzellen bis ≥ 100 Ω □⁻¹ für kapazitive Touchscreens variieren [1–5].

Derzeit ist Indium-Zinn-Oxid (ITO) das gängigste Material für TCEs, weist jedoch mehrere Nachteile auf. Es ist teuer aufgrund der Indium-Knappheit und des langsamen physikalischen Gasphasenabscheideverfahrens. Zudem ist es spröde [1–5], was seinen Einsatz für organische, flexible oder biegbare Anwendungen behindert. Es bildet nach wenigen Biegezyklen Mikrorisse, was die elektrische Leitfähigkeit der TCE erheblich reduziert [6–10]. Um diese Probleme zu lösen, fokussierten Forscher auf alternative Materialien wie PEDOT:PSS [11, 12], Graphen [13, 14], Kohlenstoffnanoröhren [15, 16], Ag-Nanodrähte (NWs) [17–19] und Cu-NWs [3, 5]. Letztere sind eines der vielversprechendsten Materialien aufgrund der Cu-Verfügbarkeit, niedrigen Kosten und hohen elektronischen Leitfähigkeit [3, 5]. Zudem können Cu-NWs durch eine niedrigkostige, großskalige, nasschemische Synthese [20–22] hergestellt und mit einem niedrigkostigen, hochgeschwindigen Roll-zu-Roll-Prozess (R2R) [6, 9] abgeschieden werden. Schließlich ermöglicht ihre hohe Flexibilität der TCE, stabile Leistungen sogar nach 1000 Biegezyklen beizubehalten [7, 8, 10, 23, 24].

Die Cu-NW-chemische Synthese involviert ein Kappmittel, allgemein ein Alkylamin wie Oleylamin (OM) [10, 22, 24–27], Octadecylamin [28, 29], Hexadecylamin [8, 20, 30, 31] oder Ethylendiamin [7, 21, 23, 32], das anisotropes Wachstum von Cu-Nanopartikeln (NPs) bewirkt. Das NW-Seitenverhältnis (Länge/Durchmesser) ist von größter Wichtigkeit, da je höher es ist, desto geringer der Flächenanteil der NWs sein muss, um ein perkoliertes Netzwerk zu erhalten, und desto transparenter die TCE ist [33–36]. Diese Kappmittel hinterlassen jedoch Rückstände auf der NW-Oberfläche, selbst nach umfangreichem Waschen in verschiedenen Lösungsmitteln. Zudem werden die NWs vor TCE-Bildung oft in einer Nano-Tinte mit einem Dispergiermittel wie Polyvinylpyrrolidon (PVP) [22, 23, 26, 30] oder Nitrocellulose [7, 32] suspendiert. All diese organischen Rückstände behindern den guten NW-Kontakt im Mesh-Film und verringern die TCE-Leitfähigkeit erheblich. Mutiso et al. zeigten, dass der Flächenwiderstand einer NW-TCE fast dem Kontaktwiderstand zwischen den NWs entspricht [36].

Daher ist eine Nachbehandlung notwendig, um organische Rückstände nach Bildung einer Cu-NW-TCE zu entfernen. Dies ist allgemein eine Hochtemperaturbehandlung unter Vakuum [24, 25], Inertgas [22], reduzierender (reines H₂) [7] oder formierender (5 % H₂–95 % Inertgas) [26, 27] Atmosphäre. Dies vermeidet Cu-Oxidation während der Entfernung organischer Rückstände und Verschmelzung der NW-Kontakte. Dies eignet sich jedoch weder für eine hochrate, niedrigkostige Produktion noch für ein niedrigschmelzendes, flexibles Polymersubstrat. Daher wurden alternative Nachbehandlungen getestet und lieferten sehr vielversprechende Ergebnisse. Behandlungen mit Milchsäure [8], Salzsäure [30], Propionsäure [27] oder Essigsäure [10, 29] erwiesen sich als sehr effizient zur Entfernung organischer Rückstände von Cu-NW-Oberflächen ohne Beschädigung der Polymersubstrate. Nach Essigsäurebehandlung erhielten Mayouse et al. PET-getragene TCEs mit R_s von 9 und 55 Ω □⁻¹ bei jeweiligem T_{550 nm} von 88 und 94 % [29]. Mit derselben Säure entwickelten Wang et al. TCEs auf Polyethylenterephthalat (PET) mit R_s von 30 und 60 Ω □⁻¹ bei jeweiligem T_{550 nm} von 83 und 90 % [10]. Daneben ermöglichte photonisches Sintern mit Xenon-Blitzlampenimpulsen die Verschmelzung der NW-Kontakte bei gleichzeitiger Entfernung unerwünschter Organika in Umgebungsluft in wenigen Millisekunden [31, 37]. Ding et al. berichteten 23 Ω □⁻¹ bei T_{550 nm} = 82 % [37]. Mallikarjuna et al. erhielten R_s von 110 und 170 Ω □⁻¹ bei T_{550 nm} von 90 und 95 % [31]. Obwohl photonisches Sintern sehr vielversprechend scheint, sind weitere Anstrengungen nötig, um R_s < 100 Ω □⁻¹ mit T_{550 nm} ≥ 90 % zu erreichen.

In dieser Arbeit synthetisierten wir hoch-Seitenverhältnis Cu-NWs mit OM als Lösungsmittel, Kapp- und Reduktionsmittel sowie einer Nickel(II)-Spezies als Katalysator. Die NWs wurden dann in eine Tinte dispergiert und auf flexible PET-Substrate beschichtet, um TCEs zu bilden. Eine Nachbehandlung war notwendig, um sowohl hohe Leitfähigkeit (42 Ω □⁻¹) als auch Transparenz (87 % im sichtbaren Bereich) zu erhalten. Sie beinhaltete 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 konventionell thermisch behandelten Cu-NW-TCEs und kommerziellem ITO verglichen.

Experimenteller Teil

Kupfer(II)-chlorid-dihydrat (CuCl₂·2H₂O, ≥ 95,0 % rein), Nickel(II)-acetat-tetrahydrat (Ni(C₂H₃O₂)₂·4H₂O, ≥ 99,0 % rein), OM (C₁₈H₃₇N, 70 % rein), anhydres Hexan (C₆H₁₄, 95,0 % rein), Essigsäure (C₂H₄O₂, ≥ 99 % rein), Ethylacetat (C₄H₈O₂, ≥ 99,7 % rein) und PVP ((C₆H₉NO)_n, 10.000 g mol⁻¹) wurden von Sigma Aldrich UK bezogen. Isopropylalkohol (IPA, C₃H₈O, ≥ 99,5 % rein), PET-Substrate ((C₁₀H₈O₄)_n, 125 ± 25 µm dick) und ein glasgetragener ITO-TCE wurden von Fisher Scientific UK, Goodfellow UK und Optics Balzers, Liechtenstein, bezogen. Alle Chemikalien wurden unverändert verwendet.

Der Cu-NW-Syntheseprozess basierte auf einer katalytischen Methode, die zuvor von Guo et al. [25] berichtet wurde. 0,4092 g (2,4 mmol) CuCl₂·2H₂O, 0,2986 g (12 mmol) katalytisches Ni(C₂H₃O₂)₂·4H₂O, 25 mL OM und ein Magnetrührer wurden in einen 50-mL-Rundkolben gegeben. Der Kolben wurde in ein Ölbad auf einem Magnetrührer-Heizplatte (Modell 3810000 RCT Basic IKAMAG, IKA) gestellt und mit einem Rückflusskühler mit oberem, in-line Ölbubbler verbunden. Die Lösung wurde zuerst 30 min bei 90 °C unter kräftigem 800-rpm-Rühren und konstantem N₂-Fluss erhitzt, um O₂(g) und Wasser-spuren zu entfernen. In diesem Stadium war die Lösung blau. Dann wurde die Temperatur auf 190 °C erhöht, um Cu²⁺-Ionen zu reduzieren und Cu⁰-Keime zu bilden, und die Lösung färbte sich progressiv rot. Nach 30 min wurde das Rühren gestoppt und die Lösung 16 h bei 190 °C unter N₂ gehalten, um die Cu-NWs aus den Keimen wachsen zu lassen. Schließlich wurde die Heizung gestoppt und die Lösung natürlich abkühlen gelassen.

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

Vor der Beschichtung wurde die Cu-NW-Tinte erneut 5 min bei 10 Hz gewirbelt. Zum Beschichten eines 10 × 10 cm² PET-Substrats wurden 100 µL Tinte mit einer Mikropipette entnommen und auf dem Substrat zu einer geraden Flüssigkeitslinie parallel zur oberen Kante abgelegt. Die Tinte wurde sofort und schnell mit einem Meyer-Stab (Nr. 4 von Dyne Testing UK, ca. 10,2 µm nasse Filmdicke) über dem PET-Substrat verteilt. Alle Lösungsmittel verdampften nach wenigen Sekunden bei Raumtemperatur.

Zwei verschiedene Nachbehandlungen wurden an den so erhaltenen Cu-NW-TCEs durchgeführt, um organische Rückstände (OM und PVP) zu entfernen. Einige TCEs durchliefen eine thermische Behandlung bei 200, 210, 220, 230, 240 oder 250 °C für 1 h unter N₂ in einem Rohrofen (Modell MTF 10/25/130, Carbolite). Andere durchliefen eine UV-Bestrahlung in Umgebungsluft für 2, 4 oder 6 min mit einer 430-W-Lampe (Modell UVASPOT 400/T, Honle). Die Lampe war mit einer Quecksilberdampfbirne (H-Typ) ausgestattet, und der Abstand zwischen Birne und Proben betrug 30 cm. Nach entweder thermischer oder UV-Behandlung wurden TCEs 10 min in reine Essigsäure getaucht, um weitere Organika und mögliche Oxidspuren zu entfernen.

Die Struktur der Cu-NWs wurde mit einem Röntgendiffraktometer (XRD, Modell D5005, Siemens) mit Bragg-Brentano-Konfiguration, Cu-Antikathode (K_α = 0,154184 nm) und Rückmonochromator bestimmt. Die Röntgenmuster wurden mit DIFFRAC.SUITE EVA Software (Bruker AXS) mit JCPDS-Datenbank indiziert. Mikrostruktur und Zusammensetzung wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop mit Feldemissionskanone (FEG-SEM, Modell XL30 SFEG, Philips) und einem in-situ Energiedispersiven Spektrometer (EDS, Oxford Instruments-AZTEC) charakterisiert. Der TCE-Flächenwiderstand und die Transmission wurden mit der Vier-Punkt-Sonden-Methode (Modell 3007 A, Kulicke & Soffa) und einem UV-Vis/NIR-Spektrophotometer (Modell V-670, JASCO) gemessen.

Die Herstellungsparameter verschiedener TCEs sowie ihre ID, R_s und Transparenz sind in Tabelle 1 zusammengefasst. TCEs, deren R_s so hoch war, dass er nicht mit der Vier-Punkt-Sonden-Methode gemessen werden konnte, sind in dieser Tabelle nicht enthalten und haben keine spezifische ID.

Ergebnisse und Diskussion

Die synthetisierten, gewaschenen Cu-NWs wiesen ein hohes Seitenverhältnis von ca. 1000 (durchschnittliche Länge und Durchmesser 70 µm bzw. 70 nm) mit sehr wenigen kubischen NPs auf, wie in Abb. 1a zu sehen. Das Vorhandensein der Letzteren deutet auf langsame Ni²⁺-Reduktionskinetik hin [3]. Das XRD-Muster in Abb. 1b beweist, dass die NWs aus Cu mit flächenzentriert-kubischer Struktur Fm3m bestehen (in Übereinstimmung mit PDF-Datei 04-0836), ohne dass innerhalb der Gerätegrenze (ca. 5 Gew%) eine Sekundärphase detektiert wurde. Insbesondere gibt es keinen Beugungspeak, der einem Kupferoxid oder einer Ni-haltigen Phase entspricht. Die hohe Reinheit der Cu-NWs wird durch das EDS-Spektrum in Abb. 1c weiter bestätigt. Die Spuren von Kohlenstoff und Sauerstoff wurden nicht-kristallinen OM-Rückständen zugeschrieben, da XRD keine andere Phase als reines Cu aufzeigte, und es ist bekannt, dass es sehr schwierig ist, alles OM ohne Nachbehandlung zu entfernen [10, 25, 27]. Keine Spur von Ni wurde innerhalb der EDS-Nachweisgrenze (ca. 0,1 Gew%) 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 trug, und Gold und Palladium der metallischen Nano-Beschichtung zur Verbesserung der Probenleitfähigkeit und Analysequalität.

Nach Bildung der TCEs mit einem Meyer-Stab wurden entweder thermische oder UV-Nachbehandlungen verwendet, um OM- und PVP-Rückstände von der Cu-NW-Oberfläche zu entfernen und sie zu verschmelzen. Abbildung 2 zeigt die Oberfläche von TCE #3, wo die NWs ein perkoliertes Netzwerk bilden, notwendig für die Leitfähigkeit der TCE über ihren gesamten Bereich. Die NWs erscheinen sehr gut dispergiert, ohne Aggregate oder Bündel, die die TCE-Transparenz verringern würden. Dies bestätigt, dass die Meyer-Stab-Beschichtung ein einfacher, schneller und effizienter Prozess ist, um großflächige, gut dispergierte, perkolierte NW-TCEs zu erhalten [2, 7, 32].

Abbildung 3 zeigt thermisch behandelte TCEs, mit verschmolzenen (Abb. 3a) und PET-inkapselten (Abb. 3b) Cu-NWs. Während der thermischen Behandlung sind NW-Verschmelzung und Einkapselung zwei konkurrierende Phänomene. Einerseits induziert die Wärme die Verschmelzung der Cu-NW-Kontakte, was die TCE-Leitfähigkeit durch Verringerung des Kontaktwiderstands zwischen den NWs stark erhöhen soll. Andererseits wird aufgrund seiner niedrigen Glasübergangstemperatur (70 °C) das PET während der thermischen Behandlung weich. Dies verursacht das Einbetten der Cu-NWs in das Polymersubstrat und damit einen Leitfähigkeitsverlust. Die Herausforderung besteht darin, bei einer Temperatur zu arbeiten, bei der die Verschmelzung die Einkapselung überwiegt, was insgesamt die TCE-Leitfähigkeit erhöht. Es zeigte sich, dass Verschmelzung und Einkapselung bei 220 °C (TCE #1) bzw. 230 °C (TCE #2) dominierten. Nach thermischer Behandlung bei 200 oder 210 °C konnte keine Leitfähigkeit gemessen werden, da noch zu viele organische Rückstände um die Cu-NWs vorhanden waren und sie nicht verschmolzen waren. Folglich war der Kontaktwiderstand zwischen den NWs noch sehr hoch. Und nach thermischer Behandlung bei 240 oder 250 °C konnte keine Leitfähigkeit gemessen werden, da das Einkapselungsphänomen zu dominant war.

Das Mikrofoto in Abb. 4 zeigt die hochvergrößerte Draufsicht von TCE #3. Die Cu-NW-Oberfläche erscheint sauber und nicht inkapselt, was beweist, dass OM- und PVP-Spuren entfernt wurden, ohne das PET-Substrat zu erweichen und zu beschädigen. Allerdings sind die NW-Kontakte nicht verschmolzen, was wahrscheinlich auf die geringere Energie der in dieser Studie verwendeten UV-Lampe im Vergleich zu den Hochleistungs-Xe-Blitzlampen zurückzuführen ist, die von anderen Autoren genutzt wurden [31, 37]. Zudem ist die Cu-NW-Oberfläche leicht rau, was auf beginnende Oxidation hindeuten könnte. Eine Verringerung des Abstands zwischen UV-Lampenbirne und TCE könnte höhere Energie in kürzerer Zeit übertragen und so die Cu-NW-Verschmelzung bei Vermeidung ihrer Oxidation ermöglichen.

Tabelle 1 zeigt den Flächenwiderstand 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-TCEs als Referenz. Die Transmissionsspektren zwischen 300 und 2500 nm sind in Abb. 5 gegeben. Für alle Cu-NW-TCEs sind T_{550 nm} und T_{350–750 nm} fast identisch, was beweist, dass T_{550 nm} den durchschnittlichen Transmissionswert eines Cu-NW-TCEs im gesamten sichtbaren Bereich sehr gut repräsentiert. Allerdings gibt es 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} zu einer überschätzten Transparenz im sichtbaren Bereich für diese Art von transparentem Oxid führt.

Für TCEs #1 und #2 wurden R_s von 25 und 743 Ω □⁻¹ bei T_{350–750 nm} von 61 und 46 % gemessen. Dies bestätigt, dass NW-Verschmelzung bei 220 °C über ihrer Einkapselung im PET-Substrat dominiert, was R_s verringert. Das Gegenteil tritt bei 230 °C ein. Zwei Gründe können die niedrigen T_{350–750 nm}-Werte für TCEs #1 und #2 im Vergleich zu 84 % für ITO/Ref. erklären. Erstens führte die hohe Cu-NW-Konzentration in der Tinte (20 mg mL⁻¹) zu hohem Flächenanteil. Zweitens wurde das PET-Substrat während der thermischen Behandlungen beschädigt.

Bei den UV-behandelten TCEs wurden zwei Hauptmerkmale beobachtet. Erstens verringerte die Erhöhung der Cu-NW-Konzentration von 10 auf 20 mg mL⁻¹ sowohl den Flächenwiderstand als auch die Transparenz. Nach 2-min UV-Behandlung sank R_s von 42 auf 31 Ω □⁻¹ und das entsprechende T_{350–750 nm} von 87 auf 67 %. Nach 4-min UV-Behandlung sank R_s von 103 auf 49 Ω □⁻¹ und das entsprechende T_{350–750 nm} von 89 auf 71 %. Dies stimmt mit theoretischen und experimentellen Ergebnissen überein: Erhöhung des von NWs bedeckten Flächenanteils verringert sowohl Flächenwiderstand als auch Transparenz einer TCE [33–36]. Zweitens erhöhte die Verlängerung der UV-Bestrahlungsdauer R_s signifikant, aber die Transparenz nur leicht. Beispielsweise hatten TCEs #5 (2 min), #6 (4 min) und #7 (6 min) bei 20 mg mL⁻¹ Tintenkonzentration R_s von 31, 49 und 236 Ω □⁻¹ mit entsprechenden T_{350–750 nm} von 67, 71 und 73 %. Und bei 10 mg mL⁻¹ Tintenkonzentration für TCEs #3 und #4 stieg R_s von 42 auf 103 Ω □⁻¹ mit entsprechenden T_{350–750 nm} von 87 und 89 %. Bemerkenswert ist, dass diese Leistungen denen von Wang et al.'s säurebehandelten TCEs (30 und 60 Ω □⁻¹ bei T_{550 nm} 83 und 90 %) [10] recht ähnlich sind. Sie liegen auch nahe an Mallikarjuna et al.'s Blitzlampen-behandelten TCEs (110 und 170 Ω □⁻¹ bei T_{550 nm} 90 und 95 %) [31]. TCEs aus Tinten mit 10 und 20 mg mL⁻¹ wurden nach UV-Behandlungen länger als 4 bzw. 6 min nicht-leitend. Unabhängig von der Tintenkonzentration wurde ein niedriger R_s nach 2 min UV-Bestrahlung erzielt. Das bedeutet, dass die meisten Organika entfernt wurden und die Cu-NWs trotz Abwesenheit von Verschmelzung in intimem Kontakt standen. Dies wurde bestätigt durch die Tatsache, dass die Transparenz nach 2 min sehr nahe an der nach längeren UV-Behandlungen lag. Bei zunehmender UV-Bestrahlungsdauer in Umgebungsluft trat wahrscheinlich Oxidation aufgrund eines Temperaturanstiegs auf. Die Oxidschicht auf der NW-Oberfläche wurde dicker, was ihren Kontaktwiderstand erhöhte. Sie blieb jedoch dünn genug, um die Transparenz nicht signifikant zu senken. Die recht stabile Transparenz über den Zeitraum 2–6 min bedeutet auch, dass die PET-Substrate während der UV-Behandlungen nicht degradierten. Folglich war nur der hohe Flächenanteil der NWs auf TCEs #6 und #7 (20 mg mL⁻¹ Tinte) für die niedrigeren T_{350–750 nm}-Werte im Vergleich zu ITO/Ref. verantwortlich. Mit 10 mg mL⁻¹ Tintenkonzentration lag T_{350–750 nm} für TCEs #3 (87 %) und #4 (89 %) leicht über ITO/Ref. (84 %).

Darüber hinaus ist erwähnenswert, dass T_{750–2500 nm} für jeden Cu-NW-TCE signifikant höher ist als für ITO/Ref. (50 %). Dies ist bei thermisch behandelten TCEs #1 (65 %) und #2 (57 %) trotz PET-Substratdegradation beobachtbar. Noch interessanter für UV-behandelte TCEs, insbesondere #3 und #4, die T_{750–2500 nm} von 89 und 91 % aufweisen. Das bedeutet, dass Cu-NW-TCEs Anwendungen wie IR-Imaging und -Sensing, elektromagnetische Abschirmung, Telekommunikation oder IR-Solarzellen viel besser eignen als ITO, das bekanntermaßen eine schlechte Transparenz im IR-Bereich hat [1, 7, 25, 29].

Schließlich hebt der Vergleich zwischen thermisch und UV-behandelten Cu-NW-TCEs die Vorteile des letzteren Prozesses hervor. Ziemlich ähnliche Leistungen wurden für thermisch behandeltes TCE #1 (25 Ω □⁻¹ mit T_{350–700 nm} = 61 %) und UV-behandeltes TCE #3 (31 Ω □⁻¹ mit T_{350–700 nm} = 67 %) gemessen. Die UV-Bestrahlung dauerte jedoch 30-mal kürzer als die thermische Behandlung, beschädigte weder das PET-Substrat noch erforderte sie eine kontrollierte Atmosphäre. Zudem ist eine UV-Behandlung in Umgebungsluft mit einem industriellen R2R-Prozess kompatibel. Weitere Arbeiten werden eine hochgeschwindige, niedrigkostige, großskalige Produktion mit einer R2R-Plattform, einem Schlitzdüse, einer UV-Lampe und einem Säurebad betrachten [38, 39]. Vorläufige Tests wurden bereits im Labor mit einer Spritzenpumpe realisiert, die 15 mL h⁻¹ Cu-NW-Tinte in eine Schlitzdüse injizierte und ein Tisch ein PET-Substrat mit 10 mm s⁻¹ bewegte. Bisher deuteten die Ergebnisse auf 2 × 5 cm² Beschichtungen auf eine optimale Shim-Breite von 100 µm und einen Schlitzdüse-Substrat-Abstand von 80 µm hin.

Schlussfolgerungen

Hoch-Seitenverhältnis (Länge/Durchmesser = 1000) Cu-NWs wurden über einen nasschemischen, katalysatorgestützten Weg synthetisiert. Anschließend wurden sie verwendet, um TCEs auf flexiblen PET-Substraten mit der Meyer-Stab-Technik herzustellen. Eine UV-Behandlung und ein Säurebad wurden durchgeführt, um organische Rückstände von der NW-Oberfläche zu entfernen und sowohl niedrigen Flächenwiderstand als auch hohe Transparenz zu erhalten. Diese Methode lieferte bessere Ergebnisse als eine konventionelle thermische Behandlung, 30-mal schneller, und ohne kontrollierte Atmosphäre. 42 und 103 Ω □⁻¹ mit entsprechenden T_{350–750 nm} von 87 und 89 % waren die besten Leistungen für UV-behandelte TCEs, was den Anforderungen für flexible kapazitive Touchscreens entspricht. Ein sehr interessantes Ergebnis ist, dass die Transparenzwerte der Cu-NW-TCEs im IR-Bereich beibehalten wurden, wo der Referenz-ITO-TCE ein sehr niedriges T_{750–2500 nm} von 50 % aufwies. Daher sind die in dieser Studie hergestellten Cu-NW-TCEs eine sehr vielversprechende Alternative zu Oxid-TCEs für Anwendungen wie IR-Imaging und IR-Solarzellen. Schließlich sind die in dieser Studie verwendete Cu-NW-Tinte und PET-Substrate sowie die UV- und Essigsäure-Nachbehandlungen mit einem industriellen, skalierbaren, hochgeschwindigen, niedrigkostigen R2R-Prozess kompatibel.

Abkürzungen

IPA:

Isopropylalkohol

IR:

Infrarot

ITO:

Indium-Zinn-Oxid

NP:

Nanopartikel

NW:

Nanodraht

OM:

Oleylamin

PET:

Polyethylenterephthalat

PVP:

Polyvinylpyrrolidon

R2R:

Roll-zu-Roll

TCE:

Transparente leitende Elektrode

UV:

Ultraviolett