Perlakuan UV Film Tembaga Nanowire Mesh Fleksibel untuk Aplikasi Konduktor Transparan

Hasil dan Diskusi

Cu NW yang disintesis dan dicuci menunjukkan rasio aspek ca yang tinggi. 1000 (panjang dan diameter rata-rata masing-masing 70 m dan 70 nm) dengan NP kubik yang sangat sedikit, seperti yang terlihat pada Gambar 1a. Kehadiran yang terakhir menunjukkan Ni yang lambat ²⁺ kinetika reduksi [3]. Pola XRD pada Gambar 1b membuktikan bahwa NW terbuat dari Cu dengan struktur kubik berpusat muka Fm3m (sesuai dengan file PDF 04-0836), tanpa fase sekunder apa pun yang terdeteksi dalam batas peralatan (ca. 5 berat%). Khususnya, tidak ada puncak difraksi yang sesuai dengan oksida tembaga atau fase yang mengandung Ni. Kemurnian tinggi Cu NW lebih lanjut dikonfirmasi oleh spektrum EDS pada Gambar 1c. Jejak karbon dan oksigen dikaitkan dengan residu OM non-kristal karena tidak ada fase lain selain Cu murni yang diungkapkan oleh XRD, dan diketahui bahwa sangat sulit untuk menghilangkan semua OM tanpa pasca-perawatan [10, 25, 27]. Tidak ada jejak Ni yang ditemukan dalam batas deteksi EDS (ca. 0,1 berat%), menegaskan bahwa perannya selama sintesis terutama katalitik seperti yang dijelaskan sebelumnya [25, 26]. Silikon sesuai dengan wafer yang mendukung NW selama analisis EDS serta emas dan paladium, dengan lapisan nano logam yang digunakan untuk meningkatkan konduktivitas sampel dan oleh karena itu kualitas analisis.

Cu NWs yang disintesis sebelum dimasukkan ke dalam tinta nano. a Gambar SEM menunjukkan rasio aspek tinggi (~ 1000) dari Cu NWs dan beberapa kubik Cu NPs. b pola XRD. c Spektrum EDS menunjukkan kemurnian tinggi dari Cu NWs yang dicuci

Setelah membentuk TCE menggunakan batang Meyer, baik perlakuan termal atau UV digunakan untuk menghilangkan residu OM dan PVP dari permukaan Cu NW dan mencoba menggabungkannya bersama-sama. Gambar 2 menunjukkan permukaan TCE #3 tempat NW membentuk jaringan perkolasi, yang diperlukan agar TCE bersifat konduktif melalui seluruh areanya. NW tampak tersebar dengan sangat baik, tanpa agregat atau bundel apa pun yang akan mengurangi transparansi TCE. Ini menegaskan bahwa pelapisan batang Meyer adalah proses yang mudah, cepat dan efisien untuk mendapatkan NW TCE yang luas, tersebar dengan baik, dan meresap [2, 7, 32].

Gambar SEM perbesaran rendah dari TCE #3 (2 mnt) yang diolah dengan UV pada substrat PET:menunjukkan Cu NW berlapis batang Meyer membentuk jaringan yang terdispersi dengan baik dan meresap

Gambar 3 menunjukkan TCE yang diberi perlakuan termal, dengan Cu NW yang dilebur (Gbr. 3a) dan dienkapsulasi PET (Gbr. 3b). Memang, selama perawatan termal, fusi NW dan enkapsulasi adalah dua fenomena dalam persaingan. Di satu sisi, panas menginduksi fusi sambungan Cu NW, yang diharapkan akan sangat meningkatkan konduktivitas TCE dengan mengurangi resistansi kontak antara NW. Di sisi lain, karena suhu transisi gelas yang rendah (70 °C), PET melunak selama perlakuan termal. Hal ini menyebabkan Cu NWs tertanam di dalam substrat polimer dan, karenanya, hilangnya konduktivitas. Tantangannya adalah untuk beroperasi pada suhu di mana fusi melebihi fenomena enkapsulasi, yang secara keseluruhan akan meningkatkan konduktivitas TCE. Ditemukan bahwa fenomena fusi dan enkapsulasi mendominasi masing-masing pada 220 °C (TCE #1) dan 230 °C (TCE #2). Setelah perlakuan termal pada 200 atau 210 °C, tidak ada konduktivitas yang dapat diukur karena masih terlalu banyak residu organik di sekitar Cu NWs dan tidak menyatu. Akibatnya, resistansi kontak antara NWs masih sangat tinggi. Dan setelah perlakuan termal pada 240 atau 250 °C, tidak ada konduktivitas yang dapat diukur karena fenomena enkapsulasi terlalu penting.

Gambar SEM dari TCE yang dirawat secara termal dan didukung PET. a Fused (TCE #1, 220 °C/1 h). b PET-enkapsulasi (TCE #2, 230 °C/1 h) Cu NWs

Mikrograf Gbr. 4 menampilkan pembesaran tinggi, tampilan atas TCE #3. Permukaan Cu NW tampak bersih dan tidak berkapsul, membuktikan bahwa jejak OM dan PVP telah dihilangkan tanpa melunakkan dan merusak substrat PET. Namun, sambungan NW tidak menyatu, yang kemungkinan disebabkan oleh energi yang lebih rendah yang diberikan oleh lampu UV yang digunakan dalam penelitian ini, dibandingkan dengan lampu flash Xe daya tinggi yang digunakan oleh penulis lain [31, 37]. Selain itu, permukaan Cu NW sedikit kasar, yang mungkin disebabkan oleh awal oksidasi. Mengurangi jarak antara bohlam lampu UV dan TCE dapat memungkinkan untuk mentransmisikan energi yang lebih tinggi dalam waktu yang lebih singkat, dan karenanya, untuk mencapai fusi Cu NW sambil menghindari oksidasinya.

Gambar SEM dari TCE #3 (2 mnt) yang diberi perlakuan UV menunjukkan Cu NWs yang tidak dienkapsulasi dan tidak dienkapsulasi

Tabel 1 menunjukkan resistansi lembaran R s dan nilai transmitansi T _550 nm , T _{350–750 nm} (rentang terlihat) dan T _{750–2500 nm} (Rentang IR) dari berbagai TCE Cu NW dan TCE ITO komersial yang diambil sebagai referensi. Spektrum transmitansi antara 300 dan 2500 nm diberikan pada Gambar 5. Untuk semua TCE Cu NW, T _550 nm dan T _{350–750 nm} hampir identik, membuktikan bahwa T _550 nm mewakili sangat baik transmitansi rata-rata dari Cu NW TCE di seluruh rentang yang terlihat. Namun, terdapat perbedaan sebesar 6% antara kedua parameter untuk ITO/ref., yang berarti menggunakan T _550 nm bukannya T _{350–750 nm} mengarah pada transparansi yang terlalu tinggi dalam kisaran yang terlihat untuk jenis oksida transparan tersebut.

Spektra transmitansi UV-Vis/NIR antara 300 dan 2500 nm:sesuai dengan ITO TCE komersial yang didukung kaca dan Cu NW TCE yang didukung PET secara termal atau UV

Sebuah R s dari 25 dan 743 Ω sq ⁻¹ , untuk T _{350–750 nm} dari 61 dan 46% diukur untuk TCE #1 dan #2, masing-masing. Ini menegaskan bahwa fusi NW lebih unggul daripada enkapsulasinya di dalam substrat PET pada 220 °C, sehingga menurunkan R S. Hal sebaliknya terjadi pada 230 °C. Selain itu, dua alasan dapat menjelaskan rendahnya T _{350–750 nm} nilai yang diperoleh untuk TCE #1 dan #2, dibandingkan dengan 84% untuk ITO/ref. Pertama, konsentrasi Cu NWs yang tinggi dalam tinta (20 mg mL ⁻¹ ) menyebabkan cakupan fraksi area yang tinggi. Kedua, substrat PET rusak selama perawatan termal.

Adapun TCE yang diperlakukan dengan UV, dua fitur utama diamati. Pertama, meningkatkan konsentrasi Cu NW dari 10 menjadi 20 mg mL ⁻¹ menurunkan resistensi lembaran dan transparansi. Setelah perawatan UV 2 menit, R s menurun dari 42 menjadi 31 Ω sq ⁻¹ dan yang sesuai T _{350–750 nm} , dari 87 menjadi 67%. Setelah perawatan UV 4 menit, R s berkurang dari 103 menjadi 49 Ω sq ⁻¹ dan yang sesuai T _{350–750 nm} , dari 89 menjadi 71%. Ini sesuai dengan hasil teoretis dan eksperimental yang dilaporkan sebelumnya:meningkatkan fraksi area yang dicakup oleh NWs menurunkan resistensi lembaran dan transparansi TCE [33,34,35,36]. Kedua, meningkatkan waktu penyinaran UV meningkat secara signifikan R s tetapi hanya sedikit transparansi. Misalnya, dengan konsentrasi tinta 20 mg mL ⁻¹ , TCE #5 (2 mnt), #6 (4 mnt) dan #7 (6 mnt) memiliki R s dari 31, 49 dan 236 Ω sq ⁻¹ , dengan T . yang sesuai _{350–750 nm} nilai 67, 71 dan 73%, masing-masing. Dan dengan konsentrasi tinta 10 mg mL ⁻¹ untuk TCE #3 dan #4, R s meningkat dari 42 menjadi 103 Ω sq ⁻¹ , dengan T . yang sesuai _{350–750 nm} nilai 87 dan 89%. Perlu dicatat bahwa pertunjukan tersebut sangat mirip dengan TCE yang diberi perlakuan asam dari Wang et al. (30 dan 60 Ω sq ⁻¹ dengan T . yang sesuai _550 nm dari 83 dan 90%) [10]. Mereka juga dekat dengan TCE yang dirawat dengan lampu flash Mallikarjuna et al. (110 dan 170 Ω sq ⁻¹ dengan masing-masing T _550 nm dari 90 dan 95%) [31]. TCE diperoleh dari tinta dengan konsentrasi 10 dan 20 mg mL ⁻¹ menjadi non-konduktif setelah perawatan UV masing-masing lebih dari 4 dan 6 menit. Terlepas dari konsentrasi tinta, R . yang rendah s diperoleh setelah 2 menit penyinaran UV. Ini berarti bahwa sebagian besar bahan organik telah dihilangkan dan bahwa, meskipun tidak ada fusi, Cu NWs berada dalam kontak yang erat. Hal ini dikonfirmasi oleh fakta bahwa transparansi setelah 2 menit sangat dekat dengan yang diperoleh setelah perawatan UV yang lebih lama. Ketika durasi penyinaran UV di udara ambien meningkat, kemungkinan terjadi oksidasi karena peningkatan suhu. Lapisan oksida pada permukaan NW tumbuh lebih tebal, sehingga meningkatkan resistensi kontak mereka. Namun, tetap cukup tipis untuk tidak menurunkan transparansi secara signifikan. Transparansi yang cukup stabil selama rentang waktu 2–6 menit juga berarti bahwa substrat PET tidak terdegradasi selama perawatan UV. Akibatnya, hanya fraksi area tinggi yang tercakup oleh NW pada TCE #6 dan #7 (20 mg mL ⁻¹ tinta) bertanggung jawab atas T _{350–750 nm} nilai lebih rendah dari untuk ITO/ref. Memang, dengan konsentrasi tinta 10 mg mL ⁻¹ , T _{350–750 nm} untuk TCE #3 (87%) dan #4 (89%) sedikit lebih tinggi daripada ITO/ref. (84%).

Selain itu, perlu dicatat bahwa T _{750–2500 nm} secara signifikan lebih tinggi untuk setiap Cu NW TCE daripada untuk ITO/ref. (50%). Ini dapat diamati untuk TCE #1 (65%) dan #2 (57%), meskipun substrat PET mengalami degradasi. Ini bahkan lebih menarik untuk TCE yang diberi perlakuan UV, khususnya #3 dan #4, yang memiliki T _{750–2500 nm} nilai 89 dan 91%, masing-masing. Ini berarti bahwa Cu NW TCE sesuai dengan aplikasi seperti pencitraan dan penginderaan IR, pelindung elektromagnetik, telekomunikasi atau sel surya IR jauh lebih baik daripada ITO, yang diketahui memiliki transmitansi yang buruk dalam rentang IR [1, 7, 25, 29].

Akhirnya, perbandingan antara hasil yang diperoleh untuk Cu NW TCE yang diperlakukan secara termal dan UV menyoroti keuntungan dari proses terakhir. Performa yang cukup dekat diukur untuk TCE #1 yang diberi perlakuan termal (25 Ω sq ⁻¹ dengan T _{350–700 nm} = 61%) dan TCE #3 yang diberi perlakuan UV (31 Ω sq ⁻¹ dengan T _{350–700 nm} = 67%). Namun, penyinaran UV berlangsung 30 kali lebih sedikit daripada perlakuan termal, dan tidak merusak substrat PET atau memerlukan atmosfer yang terkendali. Selanjutnya, perlakuan UV di udara ambien kompatibel dengan proses R2R industri. Pekerjaan lebih lanjut akan mempertimbangkan kecepatan tinggi, biaya rendah, produksi skala besar menggunakan platform R2R, slot die, lampu UV dan penangas asam [38, 39]. Uji pendahuluan telah dilakukan pada skala laboratorium dengan pompa jarum suntik yang menyuntikkan 15 mL jam ⁻¹ tinta Cu NW dalam slot die dan meja memindahkan substrat PET pada 10 mm s ⁻¹ . Sejauh ini, hasil yang diperoleh pada 2 × 5 cm ² pelapis telah menyarankan lebar shim optimal 100 μm dan celah slot die-substrat 80 μm.