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Oct 02, 2023

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Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 20962 (2022) Citare questo articolo

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Gli elettrodi conduttori trasparenti (TCE) sono componenti essenziali in dispositivi come touch screen, finestre intelligenti e fotovoltaico. Le reti di nanofili metallici sono promettenti TCE di prossima generazione, ma gli esempi con le migliori prestazioni si basano su costosi catalizzatori metallici (palladio o platino), lavorazione sotto vuoto o processi di trasferimento che non possono essere scalati. Questo lavoro dimostra un processo di fabbricazione TCE di nanofili metallici che si concentra su prestazioni elevate e fabbricazione semplice. Qui abbiamo combinato processi di metallizzazione diretta e di placcatura su nanofili elettrofilati. Per prima cosa metallizziamo direttamente i nanofili d'argento utilizzando inchiostro d'argento reattivo. L'argento catalizza la successiva placcatura in rame per produrre nanofili nucleo-guscio Ag-Cu ed elimina le resistenze di giunzione dei nanofili. Il processo consente proprietà di trasmissione e resistenza del foglio sintonizzabili regolando il tempo di elettrofilatura e placcatura. Dimostriamo TCE all'avanguardia e a bassa foschia utilizzando un processo completamente atmosferico con resistenze del foglio di 0,33 Ω quadrato −1 e trasmittanza della luce visibile dell'86% (incluso il substrato), portando a una cifra di merito Haacke di 652 × 10–3 Ω−1. L'elettrodo a nanofili nucleo-guscio dimostra inoltre un'elevata resistenza chimica e alla flessione.

Le tecnologie optoelettroniche esistenti ed emergenti, come il fotovoltaico, i diodi emettitori di luce, i touch screen, i display completamente trasparenti e i riscaldatori trasparenti, si basano su elettrodi conduttori trasparenti (TCE) per funzionare. I TCE ad alte prestazioni ottimizzano due proprietà del materiale, la resistenza del foglio (Rs) e la trasmissione della luce (T), che sono difficili da controllare in modo indipendente poiché entrambe dipendono dalla quantità di materiale TCE; quantità maggiori di materiale TCE aumentano Rs e diminuiscono T. Il compromesso tra Rs e T è un problema per tutti i TCE. L'ottimizzazione di questo compromesso è quantificata da una figura di merito (FOM) che combina Rs e T in un unico valore. La FOM Haacke ampiamente utilizzata è uguale a T10 Rs−11. L'ossido di indio-stagno (ITO), la tecnologia TCE commerciale dominante, raggiunge tipicamente Rs di ~ 10 Ω sq−1, ~ 90% T e un FOM di circa 35 × 10–3 Ω−1 (Fig. 1a)2. Oltre alle prestazioni relativamente basse, ITO presenta numerosi altri inconvenienti che ne limitano l'applicabilità e aumentano i costi3: (1) È di natura fragile, il che lo rende inadatto per applicazioni flessibili. (2) L'indio è sempre più costoso a causa della sua scarsità. (3) La deposizione ITO di solito comporta processi sottovuoto costosi e dispendiosi in termini di tempo, come lo sputtering del magnetron.

(a) Trasmissione a 550 nm (T550 nm) in funzione del grafico della resistenza del foglio (Rs) che mostra i TCE nanofili con le prestazioni più elevate fino ad oggi. Sono inclusi TCE basati sull'imprinting polimerico22,23,24, sull'elettrofilatura31,32,33,34,35 e ITO2. Le stelle verdi sono i TCE FOM più alti di questo lavoro per nanofili d'argento dopo calcinazione e nanofili d'argento con placcatura in rame. Le linee viola tratteggiate sono isolinee FOM di Haacke. Alcuni valori di trasmittanza sono stati ricalcolati rispetto alle pubblicazioni originali per includere substrati comparabili (Tabella S1). (b) Schema del processo di fabbricazione del TCE. 1. Un elettrofilatore deposita nanofili polimerici che contengono inchiostro d'argento reattivo su un substrato di vetro. 2. Una piastra riscaldante a 300 °C calcina i nanofili per 30 secondi per vaporizzare il polimero e ridurre il precursore dell'argento. 3. Un trattamento UV-ozono attiva la superficie del nanofilo d'argento per la deposizione chimica del rame. 4. La deposizione chimica di rame crea un guscio di rame attorno ai nanofili d'argento per fondere le giunzioni. Sul substrato rimane una rete di nanofili argento-rame core-shell. (c) Fotografia che mostra la trasparenza nel mondo reale e la neutralità del colore del TCE nanofilo.

I ricercatori hanno sviluppato una serie di strategie per sostituire l'ITO dominante, compresi i TCE basati su ossidi metallici4,5, nanotubi di carbonio6,7, grafene8,9, polimeri conduttivi10,11, strutture di ossido/metallo/ossido12,13,14,15 e strutture metalliche reti di nanofili15,16,17,18,19. Le reti di nanofili metallici sono promettenti grazie alle loro elevate prestazioni, elevata scalabilità, basso costo e flessibilità20,21. I metalli forniscono prestazioni elettriche ineguagliabili e i fili sottili sono quasi invisibili all'occhio umano a basse percentuali di riempimento. I TCE a nanofili metallici ad alte prestazioni contengono fili a bassa resistività con distribuzione uniforme e giunzioni fuse per ridurre le resistenze di contatto. Esistono varie tecniche di modellazione dei nanofili, tra cui l'imprinting di polimeri22,23,24,25, la stampa elettroidrodinamica26,27, l'elaborazione di soluzioni28,29, la litografia su pellicola fessurata30 e l'elettrofilatura31,32,33,34,35,36. L'imprinting polimerico e l'elettrofilatura sono due dei metodi di modellazione più comuni grazie alla loro scalabilità e al basso costo. La Figura 1a fornisce un'indagine su alcuni dei TCE di nanofili metallici dalle prestazioni più elevate basati sull'imprinting polimerico e sull'elettrofilatura.