Sintesis Hidrotermal Biaya Rendah Nanokawat Tembaga Panjang Luar untuk Elektroda Konduktif Transparan Fleksibel

Latar Belakang

Elektroda konduktif transparan (TCE) adalah komponen penting dalam berbagai perangkat optoelektronik, termasuk dioda pemancar cahaya organik (OLED), sel surya, layar kristal cair, dan sensor fleksibel. Oktida timah timah (ITO) telah lama mendominasi pasar karena resistensi rendahnya (≈ 10–30 Ω/□) dan transparansi tinggi (≈ 90 %). Namun, kekurangan timah mendorong biaya ITO naik, memotivasi pencarian alternatif yang lebih murah, lebih melimpah, dan kompatibel dengan pemrosesan suhu rendah. Nanokawat logam, khususnya perak (AgNW) dan tembaga (CuNW), telah muncul sebagai kandidat yang menjanjikan karena konduktivitas listrik yang baik dan properti optik yang dapat diatur. Meskipun AgNW dapat rival dengan ITO dalam performa, biaya tinggi perak dan pasokan yang terbatas membuat tembaga sebagai pengganti yang menarik. Resistensi bulk tembaga (1,67 nΩ·m) hanya sedikit lebih tinggi daripada perak (1,59 nΩ·m), namun tembaga jauh lebih melimpah dan murah. Akibatnya, upaya penelitian telah intensif untuk menghasilkan CuNW berkualitas tinggi dan mengintegrasikannya ke dalam TCE fleksibel.

Banyak jalur sintesis telah dieksplorasi untuk CuNW, termasuk afa idap kimia, afa elektrokimia, metode cetakan, dan proses membran. Pendekatan ini sering melibatkan langkah kompleks, reagen toksik, atau katalis mahal. Sintesis hidrotermal menawarkan alternatif yang lebih sederhana dan dapat diskalakan, memungkinkan CuNW tumbuh dari larutan air pada suhu dan tekanan sedang. Studi terbaru telah menunjukkan CuNW dengan diameter mulai dari 30 hingga 100 nm dan panjang yang berkisar dari beberapa mikrometer hingga milimeter, tergantung pada pilihan agen pengurang dan penutup. Meskipun kemajuan ini, TCE berbasis CuNW masih menghadapi tantangan seperti kekasaran permukaan yang tinggi, kerentanan terhadap oksidasi, dan stabilitas terbatas seiring waktu. Strategi untuk mengurangi masalah ini termasuk menggabungkan nanokawat dengan rasio aspek tinggi dan menanamkannya dalam matriks polimer pelindung.

Dalam karya ini, kami melaporkan metode hidrotermal yang menghasilkan CuNW panjang luar dan tipis dengan rasio aspek tinggi (~ 2857) menggunakan reagen murah dan non-toksik. Kami secara sistematis menyelidiki pengaruh waktu reaksi dan rasio reagen terhadap morfologi nanokawat. CuNW kemudian ditransfer ke substrat PET melalui filtrasi vakum, membentuk TCE fleksibel dengan resistansi lembar rekors rendah dan transparansi tinggi tanpa perawatan pasca. Terakhir, kami menunjukkan bahwa melapisi jaringan CuNW dengan PMMA mengurangi kekasaran permukaan dan meningkatkan resistensi oksidasi, menghasilkan TCE hibrida dengan performa yang superior.

Eksperimen

Sintesis CuNW

Dalam eksperimen tipikal, 140 mg asam askorbat (C₆H₈O₆) dan 270 mg CuCl₂·2H₂O dilarutkan dalam 282 mL larutan air ODA (26,3 mmol L⁻¹). Adonan yang dihasilkan diaduk pada suhu kamar selama 60 menit untuk membentuk suspensi homogen. Suspensi ini kemudian dipindahkan ke autoclave yang dilapis Teflon dan diurai pada 120 °C selama 20 jam. Setelah pendinginan ke suhu kamar, reagen berlebih dibuang dengan mencuci dengan air deionisasi dan etanol. CuNW akhir disimpan dalam 130 mL asam asetik glacial untuk mencegah oksidasi.

Pembuatan TCE CuNW dan HTCE CuNW/PMMA

TCE CuNW dibuat pada substrat PET tebal 188 µm. Volume kecil dispersi CuNW dalam asam asetic glacial dicairkan dengan 500 mL air deionisasi dan difilter melalui membran selulosa ester campuran (MCE) 0,45 µm. Film yang tertutup kemudian ditransfer ke PET dengan menerapkan tekanan seragam dan melepas membran MCE. Untuk elektroda hibrida, 100 µL larutan PMMA 20 mg mL⁻¹ di-spin-coated pada film CuNW pada 800 rpm selama 5 detik dan 2500 rpm selama 30 detik, kemudian dikeringkan di udara tanpa perawatan termal tambahan.

Karakterisasi Struktural, Optik, dan Listrik

Morfologi dan dimensi nanokawat diperiksa dengan SEM (JSM-7500F, JEOL) dan TEM (FEI-TECNAL G20). Mikroskopi optik (BX51M, Olympus) menyediakan citra permukaan. Spektrum transmitansi diukur dengan spektrofotometer UV-vis (GZ502A). Kekasaran permukaan dinilai dengan mikroskopi daya atom (AFM, Dimension Edge, Bruker). Difraksi X-ray bubuk (XRD, Bruker) mengidentifikasi fase kristal. Resistansi lembar ditentukan dari pengukuran empat sond menggunakan metode dua sond pada kontak aluminium; hubungan Rₛ = R·W/L (Eq. 1) diterapkan.

Hasil dan Pembahasan

Sintesis CuNW

Metode hidrotermal menghasilkan CuNW dengan diameter rata-rata 35 nm dan panjang 100 µm, memberikan rasio aspek ~ 2857. ODA berfungsi sebagai agen penutup, sementara asam askorbat mengurangi Cu²⁺ menjadi Cu logam. Nanokawat yang dihasilkan seragam, sangat kristalin, dan bebas dari oksida tembaga, seperti yang dikonfirmasi oleh XRD dan HRTEM.

(A) Karakterisasi CuNW

Gambar 2a menunjukkan foto dispersi CuNW. Gambar SEM (Gambar 2b dan 2c) mengungkapkan nanokawat yang padat dan lurus dengan dimensi yang dilaporkan. Pola XRD (Gambar 2d) menampilkan puncak tajam pada 43,316°, 50,448°, dan 74,124°, yang sesuai dengan bidang {111}, {200}, dan {220} tembaga kubik terpusat muka, mengonfirmasi kemurnian fase dan pertumbuhan {111} yang prioritas. Gambar TEM (Gambar 3a–b) lebih menggambarkan permukaan yang halus dan diameter yang seragam, sementara HRTEM (Gambar 3c) menunjukkan spasi jaringan 0,21 nm yang cocok dengan bidang {111}.

(B) Analisis Bergantung Waktu

Gambar SEM (Gambar 4) menggambarkan evolusi morfologi CuNW dengan waktu hidrotermal. Pada 1 jam, hasilnya terutama terdiri dari kubus tembaga karena cakupan ODA yang tidak cukup. Antara 2–14 jam, nanokawat tumbuh dengan cepat, mencapai panjang 80 µm pada 14 jam. Melewati 20 jam, pertumbuhan melanda, dan nanokawat mempertahankan dimensinya, menunjukkan bahwa reaksi hampir selesai setelah 20 jam.

(C) Jumlah Asam Askorbat

Menyesuaikan rasio asam askorbat terhadap CuCl₂·2H₂O (mempertahankan ODA dan air konstan) mengungkapkan bahwa rasio molar 0,5:1 menghasilkan rendemen CuNW tertinggi dengan pembentukan nanopartikel tembaga minimal. Rasio 1:1 atau 2:1 menghasilkan pembentukan CuNP yang meningkat, sedangkan rasio 0,2:1 menghasilkan sedikit nanokawat karena daya pengurang yang terbatas. Ini mengonfirmasi bahwa rasio pengurang-ke-tembaga yang optimal sangat penting untuk pertumbuhan nanokawat yang selektif.

Pembuatan TCE CuNW

Metode transfer filtrasi vakum menghasilkan TCE fleksibel dengan konduktivitas dan transparansi yang dapat diatur. Tabel 1 (tidak ditampilkan) mencantumkan resistansi lembar dan transmitansi untuk lima sampel. Trade-off antara resistansi lembar dan transmitansi diamati: resistansi lembar terendah (26,23 Ω/□) sesuai dengan transmitansi 89,06 % pada 550 nm. Gambar 7 (foto sampel C) mengonfirmasi kualitas optik yang tinggi dari elektroda.

Pembuatan HTCE CuNW/PMMA

Melapisi jaringan CuNW dengan PMMA secara dramatis mengurangi kekasaran permukaan dari 31,2 nm (RMS) ke 4,8 nm (RMS) dan menekan peningkatan cepat resistansi di bawah penyimpanan lingkungan. Sementara resistansi lembar TCE CuNW polos naik dari 32,1 Ω/□ ke 93,5 Ω/□ dalam 3 jam, HTCE yang dilapisi PMMA tetap stabil, mencapai hanya 74 Ω/□ setelah 72 jam. Stabilitas kimia yang ditimbulkan berasal dari lapisan PMMA yang mencegah masuknya kelembaban dan oksigen.

Kesimpulan

Kami telah mengembangkan rute hidrotermal yang sederhana dan berbiaya rendah untuk menghasilkan CuNW panjang luar dan tipis (35 nm × 100 µm) menggunakan reagen non-toksik. CuNW yang dihasilkan memungkinkan pembuatan TCE fleksibel dengan resistansi lembar 26,23 Ω/□ dan 89,06 % transmitansi pada 550 nm tanpa perawatan pasca. Lapisi PMMA selanjutnya lebih mengurangi kekasaran permukaan dan meningkatkan resistensi oksidasi, menghasilkan TCE hibrida dengan performa yang superior.