Cables plasmónicos a nanoescala con máxima figura de méritos como electrodo conductor transparente flexible superior para colores RGB

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 11029 (2022) Citar este artículo

Basado en aplicaciones increíblemente crecientes en dispositivos optoelectrónicos modernos, la demanda de asegurar un candidato a electrodo transparente conductor (TCE) superior se vuelve significativa y urgente. Sin embargo, aumentar simultáneamente la transmitancia y la conductancia es una limitación intrínseca. En este trabajo, presentamos cables plasmónicos de plata a nanoescala (Ag NPW) para que funcionen como TCE en la región de luz visible al reducir sus correspondientes frecuencias de plasma. Al diseñar cuidadosamente las dimensiones geométricas de las NPW Ag, también optimizamos el rendimiento para los colores rojo, verde y azul, respectivamente. La cifra de méritos demostrada para los colores RGB apareció respectivamente 443,29, 459,46 y 133,78 en simulación y 302,75, 344,11 y 348,02 en experimentos. Evidentemente, nuestras NPW Ag ofrecen FoM mucho mayores que las ECT convencionales que con mayor frecuencia se componen de óxido de indio y estaño y muestran ventajas adicionales de flexibilidad y menor efecto Moiré para las aplicaciones de dispositivos optoelectrónicos flexibles y de alta resolución.

Actualmente, los electrodos conductores transparentes (TCE) están omnipresentes en nuestra vida diaria, principalmente debido a sus aplicaciones fundamentales en células solares (SC)1,2,3,4,5,6, diodos emisores de luz (LED)3,7, 8,9,10,11,12,13,14,15, paneles táctiles13,16,17 y otros. Las ECT, en particular, deberían exhibir simultáneamente una gran transparencia óptica y conductividad eléctrica, pero estas dos propiedades físicas fundamentales se contradicen intrínsecamente. La razón de tal dilema es que los electrones libres en los materiales no sólo conducen la electricidad sino que también protegen las ondas incidentes. Aunque es poco común, los investigadores descubrieron que algunas cerámicas, como los óxidos de indio y estaño (ITO), conducen la electricidad manteniendo la transparencia óptica debido a sus defectos de oxígeno en su interior. Por lo tanto, ITO prevalece en varios tipos de dispositivos optoelectrónicos porque promete una transmitancia concurrente del 85% en régimen de luz visible y una resistencia de lámina inferior a 100 Ω/sq18. Sin embargo, el ITO sufre varias limitaciones inherentes, que incluyen escasez de material, toxicidad, frangibilidad17,19,20,21, baja eficiencia de producción debido a su mayor índice de refracción22,23 y procedimiento de fabricación a alta temperatura. Estas limitaciones se convirtieron en un detonante para que los investigadores buscaran alternativas, especialmente aquellas que pudieran satisfacer las demandas de la próxima generación de paneles de visualización flexibles y de alta resolución24,25,26.

Hasta ahora, las industrias y el mundo académico han estado invirtiendo mucho esfuerzo en desarrollar una alternativa para reemplazar los ITO, incluidos los nanotubos de carbono (CNT)8,19,20,27,28,29, el grafeno11,19,30,31 y los alambres metálicos2,32. ,33,34,35,36,37,38. Estas alternativas muestran sus propias ventajas, por ejemplo, altas resistencias mecánicas y flexibilidad con abundantes recursos materiales para redes de CNT orientadas aleatoriamente8,20, resistencia laminar decente de 100–1000 Ω/sq y 80% de transmitancia en régimen visible29,30 para grafeno en capas, y alta conductividad y ductilidad para los alambres metálicos fabricados mediante procesos de electrohilado ascendente32,33 o litográficos de arriba hacia abajo34,35,38. Desafortunadamente, todavía aparecen varias insuficiencias entre estos métodos. En primer lugar, las películas delgadas de CNT muestran una menor transmitancia y una mayor resistencia laminar en comparación con las ITO4. En segundo lugar, la resistencia laminar del grafeno de una sola capa sigue siendo demasiado alta para aplicaciones prácticas de dispositivos fotovoltaicos y optoelectrónicos; Por eso, algunos investigadores propusieron mejorar su conductividad mediante grafeno multicapa. Sin embargo, agregar una capa de grafeno inevitablemente reduciría la transmitancia en un 3%. Además, muchos límites de grano y dislocaciones se desarrollaron mediante un proceso de fabricación de gran área, lo que redujo aún más su conductividad. Por tanto, los cables metálicos son la solución más prometedora para las ECT de próxima generación.

Las estructuras metálicas de última generación a escala micrométrica reportadas lograron una transmitancia del 90 % y una resistencia de la lámina de 10 Ω/sq para el proceso de electrohilado39, y una transmitancia del 88,6 % y una resistencia de la lámina de 2,1 Ω/sq40 para el procedimiento litográfico. Estos dos cables metálicos se integraron luego en aplicaciones de células solares41 y OLED42. Sin embargo, una vez que el tamaño de píxel de las pantallas OLED se acerca a la escala submicrónica, estas dos técnicas parecen insuficiencias críticas. Por ejemplo, el electrohilado aleatorio de alambres con múltiples uniones provoca fluctuaciones en la transmitancia y la resistencia de la lámina; además, su distribución aleatoria los hace no adecuados para la aplicación de OLED en disposición de alta resolución. Por el contrario, las mallas metálicas a microescala sufren franjas de Moiré, lo que dificulta sus aplicaciones en el campo de los dispositivos optoelectrónicos de alta resolución, incluida la realidad aumentada y la realidad virtual. Para resolver los problemas mencionados anteriormente, en este trabajo propusimos cables plasmónicos bidimensionales con periodicidad a nanoescala, denominados cables plasmónicos a nanoescala (NPW). Tenga en cuenta que aunque la periodicidad de las NPW se acerca al límite de difracción, aún podemos lograr una gran transmitancia y conductividad simultáneamente. Optimizamos el diseño de los NPW propuestos, maximizando aún más su figura de méritos (FoM), presentando un TCE superior para pantallas OLED de alta resolución43.

Para alcanzar una mayor transparencia de las mallas metálicas41,44, una solución sencilla es seguir la teoría de difracción de Bethe de ampliar el tamaño de sus aberturas, particularmente mucho más grandes que las longitudes de onda incidentes45. Sin embargo, en este caso, la densidad de empaquetamiento de las mallas metálicas disminuye, de modo que la conductividad correspondiente ciertamente llega a ser demasiado baja para ser un buen TCE. Al contrario de ampliar el tamaño de las aberturas, en este estudio diseñamos una estructura metálica llamada cables plasmónicos, en la que el tamaño de sus aberturas es tan pequeño como la nanoescala, pero aún podemos lograr una excelente transparencia óptica y conductividad eléctrica simultáneamente. El fundamento de estas NPW se puede interpretar combinando el modelo Drude y la teoría de los medios efectivos46 como se muestra en la ecuación. (1) a continuación:

donde \(\omega_{p}\) denota la frecuencia del plasma de los materiales, neff la densidad efectiva de los electrones, meff la masa efectiva de los electrones, p y r la periodicidad y el radio de los cables, respectivamente. Tenga en cuenta que \(\omega_{p}\) de los metales a granel aparece más allá del régimen visible, de modo que todos los metales son conductores pero no transparentes. Al reemplazar los metales a granel con NPW, no solo se puede disminuir el neff debido a la menor densidad de empaquetamiento, sino también aumentar el meff derivado de la inductancia mutua entre los alambres metálicos. En consecuencia, podemos suprimir en gran medida que \(\omega_{p}\) sea inferior al régimen visible, adaptando los parámetros estructurales de p y r en consecuencia, transformando los metales para que sean conductores y transparentes simultáneamente, como se muestra en la Fig. 1a.

(a) Esquema del mecanismo de nuestros cables plasmónicos a nanoescala (NPW) propuestos. Al reducir la frecuencia efectiva del plasmón de las NPW, podríamos lograr una alta transparencia óptica y una buena conductividad más allá de la frecuencia del plasmón y en corriente continua, respectivamente. (b) Espectros simulados de transmitancia (línea continua) y reflectancia (línea discontinua) de las NPW con una periodicidad de 500 nm (panel izquierdo) y mallas metálicas a escala micrométrica con una periodicidad de 1000 nm (panel derecho) para los materiales de plata. (azul), dorado (rojo) y aluminio (negro). (c) Espectros de transmitancia medidos de las NPW (panel izquierdo) y las mallas metálicas a escala micrométrica (panel derecho). Tenga en cuenta que la densidad de embalaje de los dos es la misma para una comparación justa. Aquí se examinó el rendimiento de diferentes metales. En general, la plata supera a los otros dos metales tanto en los resultados simulados como en los medidos.

No sólo los parámetros estructurales sino también las propiedades de los materiales pueden influir en el rendimiento de las centrales nucleares. Aquí, adoptamos tres metales de uso común: plata (Ag), oro (Au) y aluminio (Al), en los cuales el plasmón y las frecuencias de amortiguación para estos tres materiales son 3700/144,7 (Al), 2321/5,513 (Ag). , y 2068/4,449 THz (Au)47, respectivamente (consulte el Método para una configuración detallada en la simulación), para construir los TCE basados en NPW (p = 500 nm, w = 50 nm y t = 50 nm), así como micras. Mallas metálicas de escala (p = 1000 nm, w = 100 nm y t = 50 nm) como grupos controlados. La Figura 1b muestra las transmitancias simuladas de las NPW y las mallas metálicas controladas. Tenga en cuenta que para una comparación justa, fijamos la densidad de empaquetamiento del 19% para ambos casos de NPW y mallas metálicas a escala de micras. La periodicidad y el ancho de línea para NPW y mallas metálicas a escala micrométrica son 500 nm/50 nm y 1 µm/100 nm. Las transmitancias promedio a través de todo el régimen visible (es decir, 400–800 nm) para NPW basadas en Ag, Au y Al y mallas a escala micrométrica son 85,1%, 82,5% y 85,5%, y 80,3%, 78,9%. y 81,9%, respectivamente. Las transmitancias de las NPW son todas mayores que las mallas metálicas a escala de micras porque empleamos la teoría del medio efectivo para explicar el mecanismo de transmisión de las NPW. Dado que la permitividad efectiva de las NPW es positiva, la luz indicadora podría penetrar a través de toda el área de las NPW. Por el contrario, la luz penetra a través de la zona de apertura a través de las mallas metálicas de tamaño micrométrico; por lo tanto, sólo una fracción del área podría contribuir a la transmitancia. En consecuencia, todas las transmitancias promedio de NPW diseñadas por la teoría del medio efectivo propuesta son mayores que las de las mallas a escala micrométrica a la misma densidad de empaquetamiento.

Para validar el rendimiento de nuestras NPW propuestas en experimentos y compararlas con los resultados simulados, luego llevamos a cabo un proceso de litografía por haz de electrones estándar con un área de 100 µm × 100 µm para las NPW con tres metales (consulte Método para conocer el proceso de fabricación detallado). ). Además, para caracterizar la muestra fabricada, medimos la transmitancia de luz visible de los NPW mediante un sistema de medición óptica casero equipado con un microscopio. La transmitancia promedio medida a través de todo el régimen visible para NPW a base de Ag, Au y Al y mallas a escala de micras es 84,5%, 78,9% y 80,9%, y 82,4%, 78,0% y 80,2%, respectivamente. La transmitancia medida corroboró la predicción de las simulaciones de que, de hecho, las NPW de Ag superaron a las otras dos NPW metálicas y que las transmitancias de las NPW son todas mayores que las de las mallas metálicas a escala de micras. Además, para examinar el comportamiento de las ANP como ECT, no sólo importan las propiedades ópticas sino también sus propiedades eléctricas. Para evaluar sus propiedades eléctricas, calculamos la resistencia teórica de los NPW aplicando la regla de Kirchhoff. Para una red con n × n nanocables, su resistencia laminar está gobernada por la ecuación. (2) que se enumeran a continuación:

donde Rs denota la resistencia laminar de los NPW, \({\uprho }\) la resistividad, n el número de alambres metálicos, p la periodicidad de los NPW, w el ancho de la línea del metal y t el espesor del metal, respectivamente. A través de esta fórmula, las NPW generalmente proporcionaron una resistencia laminar similar a las de escala micrométrica una vez que la densidad de empaquetamiento es la misma. Además, las resistencias de las láminas de las NPW y las mallas metálicas a escala micrométrica se midieron utilizando un sistema de medición eléctrica multifuncional (Keithley 2400). Se modelaron dos almohadillas externas con 50 × 100 µm2 que intercalaban el área plural de Ag-NPW para el contacto de la sonda, como se muestra en la Fig. 2a. Luego, la muestra se unió con alambre a una placa de circuito impreso para la medición como se muestra en la Fig. 2b. Recogimos la corriente mientras escaneamos el voltaje en un rango de - 500 a 500 mV y luego obtuvimos el IV, luego se calculó la resistencia de la lámina mediante el recíproco de la pendiente en la Fig. 2b. En la medición, los NPW revelaron una resistencia laminar de 13.69, 17.73 y 39.21 Ω/sq como se muestra en el panel izquierdo de la Fig. 2c, mientras que las mallas metálicas a escala micrométrica poseían una resistencia laminar de 14.12, 17.42 y 37.88 Ω/ cuadrados como se muestra en el panel derecho de la Fig. 2c, que están de acuerdo con el cálculo teórico.

(a) Muestra unida por cable a la placa PCB. (b) Imagen de microscopía óptica de unión de cables y curvas de corriente-voltaje para los tres metales diferentes tanto de NPW como de mallas a escala de micras.

Finalmente, para evaluar cuantitativamente las NPW en términos de propiedades ópticas y eléctricas, se pueden determinar los desempeños48 de las ECT propuestas de la siguiente manera:

donde T indica la transmitancia de los NPW, Rs la resistencia de la lámina y σopt y σdc la conductividad en condiciones de frecuencia óptica y corriente continua, respectivamente. Según la ecuación. (3), se puede lograr una mayor transmitancia bajo una resistencia laminar específica con \(\frac{{\sigma_{opt} }}{{\sigma_{dc} }}\); es decir, el rendimiento de las ECT puede regularse mediante la relación de \(\frac{{\sigma_{dc} }}{{\sigma_{opt} }}\), también conocida como FoM. La Tabla 1 enumera los FoM de los resultados medidos. Esta tabla muestra que los NPW de Ag superaron a los otros dos NPW y también a las mallas de Ag. Además, debido a su mejor conductividad y mejor transmitancia experimental, la plata promete el mejor TCE basado en NPW entre los tres metales comúnmente utilizados. En consecuencia, nos gustaría centrarnos en la discusión de los Ag NPW para una mayor optimización de los colores RGB en diodos emisores de luz orgánicos.

Tenga en cuenta que otra ventaja de utilizar NPW sobre las mallas metálicas a escala de micras es su capacidad para suprimir las franjas de Moire para aplicaciones de visualización. Las franjas de muaré aparecen como un patrón de interferencia a gran escala, que surge de la superposición de dos estructuras periódicas. Por ejemplo, la periodicidad de las franjas superpuestas se puede describir a continuación49:

donde Pm, P1 y P2 denotan las periodicidades de las franjas Moire, los píxeles de la pantalla y los TCE, respectivamente, y α es el ángulo de rotación entre la pantalla y los TCE. Aquí, configuramos P1 = 1,2 µm para una pantalla OLED de alta resolución43, P2 = 500 nm para NPW y P2 = 1 µm para mallas a escala de micras. Según la ecuación. (4), Pm para el NPW indica 857 nm que es imperceptible para los ojos humanos, pero Pm aparece con un tamaño notable de 6 µm para mallas a escala de micras.

En general, los NPW de Ag muestran buena transmitancia y resistencia laminar en comparación con los de otros metales; sin embargo, aparecen dos caídas de transmitancia distintas en las longitudes de onda de 430 y 500 nm, respectivamente, como se muestra en la Fig. 1. Por lo tanto, queríamos desenterrar los orígenes de estas caídas y optimizar aún más el comportamiento de las NPW de Ag. La primera caída de transmitancia a 430 nm se debe al efecto de la resonancia de plasmón superficial localizado (LSPR). Monitoreamos las distribuciones de campo del Ag-NPW para corroborar la excitación de LSPR. Como se muestra en la Fig. 3a, el campo eléctrico se concentra principalmente en las barras laterales del Ag-NPW; por lo tanto, la frecuencia de excitación de LSPR debe estar determinada principalmente por el ancho del cable. Luego llevamos a cabo la simulación con tres anchos de línea diferentes, es decir, 15, 30 y 50 nm para construir la relación entre los anchos y las frecuencias de resonancia. La Figura 3b sugiere que, de hecho, el ancho más estrecho garantizaría la longitud de onda de resonancia más baja de LSPR; El comportamiento de resonancia de LSPR está casi alejado del régimen visible para Ag-NPW con un ancho de 15 nm con una caída mucho más débil ubicada aproximadamente a 400 nm.

( a ) Distribución del campo eléctrico de las NPW de Ag a la longitud de onda de 430 nm. El campo se concentra principalmente en la pared lateral de los alambres metálicos, lo que sugiere la excitación de un plasmón superficial localizado a lo largo del ancho de los alambres. (b) Espectro de transmitancia de los Ag NPW con anchos de cable de 15, 30 y 50 nm. Las caídas cambiaron a una longitud de onda más baja cuando el ancho se reduce. (c) Espectros de transmitancia de los alambres plasmónicos de plata con periodicidades de 500, 600 y 700 nm, respectivamente. La difracción ocurre en longitudes de onda de aproximadamente 500, 600 y 700 nm. (d) Espectros de transmitancia con periodicidades de 300, 500 y 700 nm, lo que sugiere que manipulando la periodicidad, podríamos eliminar la difracción del espectro. (e) Espectro de transmitancia de las NPW de Ag con un espesor de metal de 30, 50 y 70 nm. Los metales más delgados revelan una mayor transmitancia.

A continuación, la segunda caída de transmitancia a 500 nm está relacionada con la difracción de primer orden. Observamos los espectros de transmitancia relacionados con tres periodicidades diferentes de 500, 600 y 700 nm, como se ilustra en la Fig. 3c. En esta observación, la longitud de onda de las caídas coincide con la periodicidad, lo que evidencia que la causa de la segunda caída de transmitancia resulta de la difracción de primer orden. Esta causa puede verificarse aún más mediante el perfil de campo presentado en la Fig. S1 en la información de respaldo. En consecuencia, se pueden aliviar estas caídas de transmitancia diseñando deliberadamente la periodicidad de las NPW. Por ejemplo, redujimos la periodicidad a 300 nm para alejar esas caídas de las regiones visibles. Como se muestra en la Fig. 3d para las NPW con una periodicidad de 300 nm, se puede eliminar la caída de transmitancia causada por la difracción. Tenga en cuenta que cuanto menor sea la distancia entre los cables, más fuerte será el LSPR en el régimen de luz azul, lo que deteriora la transmitancia correspondiente. Por el contrario, con la periodicidad decreciente de los NPW, en la longitud de onda más larga (más de 700 nm), también empaña la transmitancia debido al corte del modo de guía eléctrica transversal cuando el campo eléctrico es paralelo a las líneas metálicas21 (es decir, aproximadamente 500 nm para las periodicidades de 300 y 50 nm de ancho de línea). Cabe destacar que, aunque tanto en las longitudes de onda más largas como en las más cortas (es decir, aproximadamente en los regímenes rojo y azul), la transmitancia es pobre para las NPW de Ag con una periodicidad menor, la transmitancia en el régimen verde es casi la misma; en tal caso, las NPW de Ag con una periodicidad menor podrían proporcionar una conductividad mucho mejor y una mayor FoM. De esta manera ganamos más libertad para diseñar las NPW en un régimen específico. Finalmente, la Fig. 3e ilustra la dependencia de la transmitancia de diferentes espesores de metal de plata. Todas las transmitancias mostraron tendencias similares con magnitudes promedio decrecientes a medida que aumenta el espesor.

Después de conocer los orígenes de las dos caídas de transmitancia, queríamos proceder a maximizar los FoM para aplicaciones de visualización, en tres rangos de longitud de onda demandados: luz roja (R; 600–700 nm), luz verde (G; 500–600 nm). ) y regímenes de luz azul (B; 400–500 nm). Con base en las discusiones antes mencionadas sobre los factores geométricos del ancho, la periodicidad y el espesor de los NPW de Ag, tabulamos la resistencia laminar correspondiente y la transmitancia/FoM para cada región de longitud de onda en la Tabla 2. Tenga en cuenta que los ITO con espesores de 35 y También se incluyen 70 nm a modo de comparación porque los ITO de 35 nm de espesor son comunes en los transistores de película delgada y los ITO de 70 nm de espesor tienen el mismo espesor que nuestros Ag NPW. La Tabla 2 presenta que los FoM de las NPW Ag abrumaron a los ITO, a través de toda la región visible con el parámetro estructural optimizado de 450/50/70 nm en periodicidad, ancho de línea y espesor para el régimen rojo y de 400/50/70 nm para regímenes verde y azul.

Finalmente, sobre la base de la transmitancia y reflectancia simuladas, podemos recuperar la permitividad efectiva y el índice de refracción de las NPW de Ag fabricadas aplicando el método de recuperación de propiedades del material50. Como se muestra en la Fig. 4a, la permitividad eléctrica de Ag debería ser intrínsecamente negativa en el régimen visible porque la frecuencia del plasma de Ag aparece en el régimen UV (es decir, 129 nm). Sin embargo, encontramos que tanto la permitividad efectiva como el índice de refracción de Ag-NPW se transforman en valores positivos una vez que la longitud de onda es superior a 700 nm, es decir, la longitud de onda efectiva del plasmón de Ag NPW se redujo a 700 nm. Los resultados de dicha recuperación revelaron además que el principio de funcionamiento de nuestras NPW de Ag demostradas no es la transmitancia regular a través de la amplia abertura en las mallas metálicas convencionales, sino la frecuencia de plasma sintonizada hacia abajo que surge de la disminución de la densidad de los electrones y el aumento de la masa efectiva de los electrones, como interpretado por la teoría del medio efectivo en la ecuación. (1). Además, como se muestra en la Fig. 4b, el índice de refracción efectivo dentro de este rango de frecuencia es mucho menor que el de los ITO, lo que conduce a una mejor adaptación de la impedancia con el aire y, por lo tanto, mejora la eficiencia de salida de las NPW de Ag fabricadas.

Obtuve (a) permitividad y (b) índice de refracción de las NPW de Ag propuestas. La frecuencia efectiva del plasmón es inferior a una longitud de onda de 700 nm, lo que confirma nuestro mecanismo propuesto. Además, el índice de refracción efectivo dentro de este rango de frecuencia es mucho menor que el de los ITO, lo que mejora la eficiencia de salida de los dispositivos ópticos.

Tras los prometedores resultados optimizados de los Ag NPW, hemos aprendido que los diseños del Ag-NPW TCE con los mejores FoM son p/w/t = 400/50/70 nm para los colores azul y verde, y 450/50 /70 nm para el color rojo, respectivamente. Por lo tanto, fabricamos estos TCE en consecuencia y, mientras tanto, un TCE con parámetros dimensionales de 500/50/70 nm como comparación para examinar el efecto de eliminar la difracción de primer orden. La Figura 5a muestra la observación de la morfología de las NPW de Ag fabricadas con p/w/t de 400, 50 y 70 nm. En la imagen SEM, los alambres metálicos fabricados están todos bien conectados entre sí sin roturas alrededor de las uniones, lo que asegura una mejor resistencia de la lámina. Además, la topografía y el perfil de línea de las muestras medidas mediante microscopía de fuerza atómica se incluyeron en la Fig. 5b, c, lo que indica una excelente homogeneidad de la muestra fabricada con un espesor promedio de 71,3 nm. Como se muestra en la Fig. 6a, todos los resultados de las mediciones muestran una transmitancia promedio excelente de 86,2%, 86,8% y 86,1%. Una desviación menor de transmitancia ligeramente menor se debió a la superficie metálica rugosa y al modo LSPR desplazado al azul. La transmitancia promedio medida para diferentes periodicidades indica que la eliminación de la difracción de primer orden mejoró en gran medida la transmitancia en la región de luz azul. Podemos encontrar que los Ag NPW con una periodicidad de 400 nm entregan la mejor transmitancia de luz azul con un 88,0%, mientras que los que tienen una periodicidad de 500 nm solo entregan una transmitancia de luz azul con un 81,6%. En cuanto al régimen a una longitud de onda más larga, el corte del modo guiado suprime la transmitancia del Ag-NPW con una periodicidad de 400 nm como se discutió anteriormente, contribuyendo así a la transmitancia más baja (84,3%) en el régimen de luz roja. Yendo un paso más allá, también fabricamos los Ag NPW con diferentes anchos de línea para una periodicidad de 400 nm, como se muestra en la Fig. 6b. A partir de los espectros de transmitancia de las NPW, los modos LSPR se observan obviamente y se desplazan hacia el azul con respecto al ancho de línea decreciente, lo que demuestra experimentalmente que al manipular el ancho de línea de las NPW, podríamos eliminar los modos LSPR del régimen visible, mejorando así la transmitancia promedio. Finalmente, también se mide la transmitancia de los ITO de 35 y 70 nm de espesor. Como se muestra en la Fig. 6c, el mayor espesor de los ITO da como resultado una menor transmitancia. Por el contrario, las resistencias laminares correspondientes de estos tres Ag NPW exhiben 8,18, 9,77 y 10,83 Ω/sq, respectivamente. Con base en los dos resultados de las mediciones, tabulamos la transmitancia y la resistencia de la lámina correspondientes en la Tabla 3 y calculamos los FoM en la Tabla 4 para cada color. En cada régimen de luz, los parámetros con mejor FoM son según el resultado de la simulación optimizada. Aunque los FoM son más bajos que el resultado de la simulación que podría deberse a la transmitancia deteriorada, aún así, los FoM de nuestras NPW Ag propuestas son mucho más altas que las de los ITO. Después de todo, resumimos las actuaciones de los trabajos relacionados y las tabulamos en la Tabla 5.

Observación morfológica de las NPW de Ag fabricadas. (a) Una imagen SEM del Ag-NPW fabricado con parámetros de p = 400 nm, w = 50 nm y t = 70 nm, respectivamente. ( b ) Topografía AFM del Ag-NPW. El espesor medio es de 71,3 nm con buena homogeneidad. (c) Perfiles de profundidad a lo largo de la línea marcada en (b).

( a ) Transmitancia medida de Ag NPW con periodicidades de 400, 450 y 500 nm y ancho de línea fijo de 50 nm y espesor de 70 nm. (b) Aumentar el ancho de línea (es decir, de 50 a 70 nm) de NPW con p = 400 da como resultado un desplazamiento al rojo de LSPR, lo que corrobora experimentalmente los resultados simulados. (c) Transmitancia medida de ITO de 35 y 70 nm de espesor.

En resumen, demostramos que los NPW son un TCE flexible superior, por lo cual el fundamento es reducir la frecuencia plasmática de los metales de acuerdo con la teoría de los medios efectivos. A diferencia de las mallas metálicas convencionales, cuya transparencia se rige por la teoría de la difracción de Bethe, NPW con aberturas más pequeñas puede lograr simultáneamente una mayor transparencia, una mejor conductancia y un menor efecto Moiré. Para optimizar el rendimiento de este TCE basado en NPW, analizamos sistemáticamente los factores influyentes, incluida la elección de los metales (es decir, Ag, Au y Al) y las dimensiones geométricas (es decir, ancho de línea, periodicidad y espesor) de los NPW. . Nuestro Ag-NPW optimizado presentó un rendimiento sobresaliente para los píxeles de tres colores de OLED. Por ejemplo, la transmitancia/resistencia de la lámina medida es 88,3 %/9,77 Ω/sq, 87,8 %/8,18 Ω/sq y 88,0 %/8,18 Ω/sq para rojo, verde y azul, respectivamente. Los FoM correspondientes son 443,29, 459,46 y 133,78 en simulación y 300,57, 342,83 y 349,13 en mediciones, respectivamente. Todos estos FoM son mucho mayores que el ITO, un frágil material TCE que prevalece en los dispositivos optoelectrónicos modernos. Con base en estas propiedades mecánicas, ópticas y eléctricas superiores antes mencionadas, este TCE Ag-NPW flexible se puede aplicar fácilmente a televisores de alta resolución, teléfonos inteligentes, pantallas VR/AR, células solares y otras aplicaciones optoelectrónicas.

Se realizaron simulaciones en el dominio del tiempo en diferencias finitas utilizando el software comercial Lumerical para examinar el rendimiento de nuestras NPW propuestas. En las simulaciones, se iluminó una fuente de luz de onda plana con un rango de longitud de onda de 400 a 800 nm a lo largo del eje z en condiciones de incidencia normal. Se establecieron capas de coincidencia perfecta en el eje z y se aplicaron límites periódicos a lo largo de los ejes x e y. El NPW propuesto estaba sobre un sustrato de sílice con un índice de refracción de 1,45 y el ambiente era aire; Los metales, incluidos Au, Ag y Al, siguieron los modelos de Drude, es decir, \(\varepsilon_{r} = 1 - \frac{{\omega_{p}^{2} }}{{\omega^{2} - j\ omega \gamma }}\), donde \({\upgamma }\) es la frecuencia de amortiguación y ωp es la frecuencia del plasmón.

Para fabricar nuestras NPW propuestas, llevamos a cabo procedimientos de litografía de haz de electrones que incluyen litografía de haz de electrones, sistema de evaporación de haz de electrones y proceso de despegue en una sala limpia. Primero limpiamos los sustratos de vidrio con una solución de piraña (H2SO4:H2O2 = 1:3) durante 1 minuto antes de la fabricación de la muestra. Se recubrió por rotación un PMMA (A4) que resiste aproximadamente 200 nm para la escritura por haz de electrones sobre el sustrato de vidrio limpio; Luego, la muestra se horneó suavemente a 180 °C durante 3 minutos, seguido de un recubrimiento con una capa delgada de polímero conductor Espacer 300Z (Showa Denko) con una temperatura de horneado de 80 °C durante 3 minutos. La resistencia de PMMA se modeló mediante un sistema de litografía por haz de electrones (Elionix, ELS-7800) con un voltaje de aceleración de 80 kV y una dosis de 400 μC/cm2. Luego, la muestra se desarrolló en una solución de metil isobutil cetona: isopropanol (IPA) = 1:3 durante 1 min e IPA durante 25 s. Se diseñó una nanored continua sobre el sustrato. El sustrato estampado se depositó con Ti de 3 nm de espesor y metal para un espesor específico mediante el evaporador de haz de electrones. Finalmente, el despegue se llevó a cabo en disolvente acetona con la ayuda de una máquina ultrasónica.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado (y sus archivos de información complementaria).

Ellmer, K. Logros pasados y desafíos futuros en el desarrollo de electrodos ópticamente transparentes. Nat. Fotón. 6(12), 809–817 (2012).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Yim, JH y cols. Células solares orgánicas semitransparentes totalmente procesadas en solución con un cátodo de nanocables de plata y un ánodo de polímero conductor. ACS Nano 8(3), 2857–2863 (2014).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Chiang, K.-M., Huang, Z.-Y., Tsai, W.-L. y Lin, H.-W. Redes de nanocables de plata tejidas ortogonalmente para dispositivos optoelectrónicos orgánicos muy eficientes. Org. Electrón. 43, 15-20 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Rowell, MW y cols. Células solares orgánicas con electrodos de red de nanotubos de carbono. Aplica. Física. Letón. 88(23), 233506 (2006).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Xu, C. y col. El polímero de banda prohibida amplia con recolección de fotones estrecha en el rango de luz visible permite una energía fotovoltaica orgánica semitransparente eficiente. Adv. Función. Madre. 31(52), 2107934 (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Xu, C., Jin, K., Xiao, Z., Zhao, Z., Yan, Y., Zhu, X., Li, X., Zhou, Z., Jeong, SY, Ding, L., Woo , HY, Yuan, G. & Zhang, F., Energía fotovoltaica orgánica capa por capa semitransparente eficiente mediante la optimización de la banda prohibida amplia y el espesor de la capa de polímero de absorción estrecha. RRL Solar 2200308.

Zhou, L. y col. Diodos emisores de luz orgánicos flexibles de alto rendimiento que utilizan electrodos transparentes de red de plata integrados. ACS Nano 8(12), 12796–12805 (2014).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Li, J. y col. Diodos emisores de luz orgánicos con ánodos de nanotubos de carbono. Nano Lett. 6(11), 2472–2477 (2006).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Ramuz, M., Tee, BC, Tok, JB & Bao, Z. Piel artificial transparente, óptica y sensible a la presión para dispositivos electrónicos estirables de gran superficie. Adv. Madre. 24(24), 3223–3227 (2012).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Jung, S. y col. Electrodos conductores transparentes extremadamente flexibles para dispositivos orgánicos. Adv. Materia energética. 4(1), 1300474 (2014).

Artículo CAS Google Scholar

Han, T.-H. et al. Diodos emisores de luz orgánicos flexibles extremadamente eficientes con ánodo de grafeno modificado. Nat. Fotón. 6(2), 105-110 (2012).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Sekitani, T. & Someya, T. Electrónica orgánica extensible de gran superficie. Adv. Madre. 22(20), 2228–2246 (2010).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Sekitani, T. y col. Pantalla de diodo emisor de luz orgánico de matriz activa estirable mediante conductores elásticos imprimibles. Nat. Madre. 8(6), 494–499 (2009).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Sandstrom, A., Dam, HF, Krebs, FC y Edman, L. Fabricación ambiental de dispositivos emisores de luz orgánicos flexibles y de gran área utilizando revestimiento de ranura. Nat. Comunitario. 3, 1002 (2012).

Artículo ADS PubMed CAS Google Scholar

Kamijo, T., de Winter, S., Panditha, P. & Meulenkamp, E. Electrodos conductores transparentes de rejilla de cobre impresos para diodos emisores de luz orgánicos. Aplicación ACS. Electrón. Madre. 4(2), 698–706 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Deb, SK y cols. Ventana inteligente electrocrómica autónoma con energía fotovoltaica. Electrochim. Actas 46(13–14), 2125–2130 (2001).

Artículo CAS Google Scholar

Leterrier, Y. et al. Integridad mecánica de películas de óxido conductor transparente para pantallas flexibles a base de polímeros. Películas sólidas delgadas 460 (1–2), 156–166 (2004).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Kim, H. y col. Propiedades eléctricas, ópticas y estructurales de películas delgadas de óxido de indio-estaño para dispositivos orgánicos emisores de luz. J. Aplica. Física. 86(11), 6451–6461 (1999).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Hecht, DS, Hu, L. & Irvin, G. Electrodos transparentes emergentes basados en películas delgadas de nanotubos de carbono, grafeno y nanoestructuras metálicas. Adv. Madre. 23(13), 1482-1513 (2011).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Cao, Q. y col. Transistores de película delgada transparentes y altamente flexibles que utilizan conductores y semiconductores basados en nanotubos de carbono con dieléctricos elastoméricos. Adv. Madre. 18(3), 304–309 (2006).

Artículo CAS Google Scholar

Catrysse, PB & Fan, S. Películas metálicas con nanopatrones para su uso como electrodos conductores transparentes en dispositivos optoelectrónicos. Nano Lett. 10(8), 2944–2949 (2010).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Kim, JK y cols. Mejora de la extracción de luz de diodos emisores de luz GaInN mediante contacto antirreflectante de óxido de indio y estaño con índice de refracción graduado. Adv. Madre. 20(4), 801–804 (2008).

Artículo CAS Google Scholar

Salehi, A., Chen, Y., Fu, X., Peng, C. y So, F. Manipulación del índice de refracción en diodos emisores de luz orgánicos. Aplicación ACS. Madre. Interfaces 10(11), 9595–9601 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Sun, Y. & Forrest, SR Acoplamiento de luz mejorado de dispositivos emisores de luz orgánicos utilizando rejillas integradas de bajo índice. Nat. Fotón. 2(8), 483–487 (2008).

Artículo CAS Google Scholar

Smith, LH, Wasey, JA, Samuel, ID y Barnes, WL Eficiencias de desacoplamiento de luz de estructuras orgánicas de diodos emisores de luz y efecto del rendimiento cuántico de fotoluminiscencia. Adv. Función. Madre. 15(11), 1839–1844 (2005).

Artículo CAS Google Scholar

Jang, J.-H., Oh, M.-C., Yoon, T.-H. & Kim, JC Diodos emisores de luz orgánicos integrados en rejilla de polímero con eficiencia de desacoplamiento mejorada. Aplica. Física. Letón. 97(12), 203 (2010).

Artículo CAS Google Scholar

Zhang, M. y col. Láminas de nanotubos de carbono resistentes, transparentes y multifuncionales. Ciencia 309(5738), 1215–1219 (2005).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Wu, Z. y col. Películas de nanotubos de carbono transparentes y conductoras. Ciencia 5688, 1273-1276 (2004).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Hu, L., Hecht, D. & Grüner, G. Percolación en redes de nanotubos de carbono transparentes y conductores. Nano Lett. 4(12), 2513–2517 (2004).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Kim, KS y cols. Crecimiento de patrones a gran escala de películas de grafeno para electrodos transparentes estirables. Naturaleza 457 (7230), 706–710 (2009).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Gómez De Arco, L. et al. Películas de grafeno continuas, altamente flexibles y transparentes mediante deposición química de vapor para energía fotovoltaica orgánica. ACS Nano 4(5), 2865–2873 (2010).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Wu, H. y col. Un electrodo transparente basado en una red de nanocanales metálicos. Nat. Nanotecnología. 8(6), 421–425 (2013).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Wu, H. y col. Bandas de nanofibras metálicas electrohiladas como electrodo transparente de alto rendimiento. Nano Lett. 10(10), 4242–4248 (2010).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Hsu, PC y cols. Mejora del rendimiento de electrodos conductores transparentes de nanocables metálicos mediante cables metálicos de mesoescala. Nat. Comunitario. 4, 2522 (2013).

Artículo ADS PubMed CAS Google Scholar

van de Groep, J. et al. Redes de nanocables de gran superficie con impresión suave como conductores transparentes que atrapan la luz. Ciencia. Rep. 5, 11414 (2015).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

De, S. y col. Redes de nanocables de plata como películas conductoras flexibles y transparentes: relaciones de conductividad óptica y de CC extremadamente altas. ACS Nano 3(7), 1767-1774 (2009).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Garnett, CE y col. Soldadura plasmónica autolimitada de uniones de nanocables de plata. Nat. Madre. 11(3), 241–249 (2012).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

van de Groep, J., Spinelli, P. y Polman, A. Redes de nanocables de plata conductores transparentes. Nano Lett. 12(6), 3138–3144 (2012).

Artículo ADS PubMed CAS Google Scholar

Hsu, P.-C. et al. Electrodos transparentes de nanocables metálicos electrohilados depositados de forma electrolítica. Mermelada. Química. Soc. 136(30), 10593–10596 (2014).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Chen, X. et al. Malla metálica Ag/Ni integrada con baja rugosidad superficial como electrodo conductor transparente para aplicaciones optoelectrónicas. Aplicación ACS. Madre. Interfaces. 9(42), 37048–37054 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Lee, HB, Jin, W.-Y., Ovhal, MM, Kumar, N. y Kang, J.-W. Electrodos conductores transparentes flexibles basados en mallas metálicas para aplicaciones de dispositivos optoelectrónicos orgánicos: una revisión. J. Mater. Química. C 7(5), 1087–1110 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Choi, J. y col. Electrodos de fibra Ag electrohilados sin uniones para diodos emisores de luz orgánicos flexibles. Pequeño 14(7), 1702567 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Joo, W.-J. et al. Pantallas OLED impulsadas por metasuperficie que superan los 10.000 píxeles por pulgada. Ciencia 370 (6515), 459–463 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Kim, H.-J. et al. Película de nanomalla AgNi de alta durabilidad para un electrodo conductor transparente. Pequeño 10(18), 3767–3774 (2014).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Bethe, HA Teoría de la difracción por pequeños agujeros. Física. Rev. 66(7–8), 163–182 (1944).

Artículo ADS MathSciNet MATH Google Scholar

Pendry, JB, Holden, AJ, Stewart, WJ & Youngs, I. Plasmones de frecuencia extremadamente baja en mesoestructuras metálicas. Física. Rev. Lett. 76(25), 4773–4776 (1996).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Blaber, MG, Arnold, MD y Ford, MJ Búsqueda de la nanocáscara plasmónica ideal: los efectos de la dispersión superficial y las alternativas al oro y la plata. J. Física. Química. C 113(8), 3041–3045 (2009).

Artículo CAS Google Scholar

Dressel, M. & Grüner, G. Electrodinámica de sólidos: propiedades ópticas de los electrones en la materia. Asociación Estadounidense de Profesores de Física (2002).

Saveljev, V., Kim, S.-K. & Kim, J. Efecto Moiré en pantallas: un tutorial. J. Optar. Ing. Rev.3, 030803 (2018).

Google Académico

Smith, DR, Vier, DC, Koschny, T. y Soukoulis, CM Recuperación de parámetros electromagnéticos a partir de metamateriales no homogéneos. Física. Rev.E 71(3), 036617 (2005).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Sciacca, B., van de Groep, J., Polman, A. y Garnett, EC Conjuntos ordenados de nanocables de plata cultivados en solución como electrodos transparentes. Adv. Madre. 28(5), 905–909 (2016).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Schneider, J. y col. Impresión electrohidrodinámica por nanogoteo de electrodos transparentes de rejilla metálica de alta relación de aspecto. Adv. Función. Madre. 26(6), 833–840 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Descargar referencias

Este trabajo fue apoyado por subvenciones del Ministerio de Ciencia y Tecnología (MOST), Taiwán (MOST 110-2221-E-007-051-MY3, MOST 110-2218-E-007-055-MBK, MOST 111-2923- E-007 -007 -MY2) y "Centro de Materiales de Alta Entropía" del Programa The Featured Areas Research Center en el marco del Proyecto Higher Education Sprout del Ministerio de Educación (MOE) y del Proyecto MOST 111-2634-F- 007-008-por el Ministerio de Ciencia y Tecnología (MOST), Taiwán.

Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad Nacional Tsing Hua, Hsinchu, 30013, Taiwán, República de China

Chin-Chien Chung, Dong-Sheng Su, Cheng-Yi Lee y Ta-Jen Yen

Departamento de Ingeniería de Materiales, Universidad Tecnológica Ming Chi, Nuevo Taipei, 24301, Taiwán, República de China

Tsung-Yu Huang

Grupo de Tecnología Avanzada, Oficina Corporativa de CTO, Materiales Aplicados, Santa Clara, CA, EE. UU.

Robert Jan Visser, B. Leo Kwak, Hyunsung Bang, Chung-Chia Chen y Wan-Yu Lin

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

C.-CC y T.-JY inician la propuesta de este trabajo, C.-CC, D.-SS, T.-YH y C.-YL realizan los cálculos, simulaciones y fabricación y caracterización de muestras. C.-CC, RJV, BLK, HB, C.-CC, W.-YL, T.-YH y T.-JY contribuyen al análisis de datos y la preparación del manuscrito. Todos los autores han dado su aprobación a la versión final del manuscrito.

Correspondencia a Ta-Jen Yen.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso Abierto Este artículo está bajo una Licencia Internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, compartir, adaptación, distribución y reproducción en cualquier medio o formato, siempre y cuando se dé el crédito apropiado al autor(es) original(es) y a la fuente. proporcione un enlace a la licencia Creative Commons e indique si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la normativa legal o excede el uso permitido, deberá obtener permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Chung, CC., Su, DS., Huang, TY. et al. Cables plasmónicos a nanoescala con máxima figura de méritos como electrodo conductor transparente flexible superior para colores RGB. Informe científico 12, 11029 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14756-z

Descargar cita

Recibido: 28 de marzo de 2022

Aceptado: 13 de junio de 2022

Publicado: 30 de junio de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14756-z

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, actualmente no hay un enlace para compartir disponible para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenidos Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.