bahan nano
Manufaktur industri
Transmisi, konduktivitas, dan fleksibilitas adalah sifat penting untuk pengembangan elektroda fleksibel generasi berikutnya. Mencapai trade-off yang baik antara transmitansi dan konduktivitas elektroda fleksibel telah menjadi tantangan karena kedua sifat berbanding terbalik. Di sini, kami mengungkapkan pertukaran yang baik antara transmitansi dan konduktivitas nanomesh emas (AuNM) dapat dicapai melalui peningkatan ketebalan AuNM yang tepat tidak lebih dari 40 nm, jalur bebas rata-rata elektron dalam logam Au. Penyelidikan fleksibilitas lebih lanjut menunjukkan bahwa elektroda AuNM dengan struktur mesh menunjukkan toleransi yang lebih tinggi daripada film massal Au, dan elektroda AuNM dengan lebar kawat antar-bukaan yang lebih kecil dapat menampung lebih banyak regangan tarik daripada rekan dengan lebar kawat antar-bukaan yang lebih besar. Hasil simulasi berdasarkan analisis elemen hingga (FEA) menunjukkan kesesuaian yang baik dengan hasil eksperimen, yang menunjukkan bahwa metode fabrikasi litografi nanosfer serbaguna (NSL) dapat diandalkan. Hasil ini membentuk pendekatan yang menjanjikan menuju elektroda AuNM transparan fleksibel skala besar generasi berikutnya untuk elektronik fleksibel.
Baru-baru ini, elektroda transparan fleksibel baru telah diselidiki, seperti oksida logam yang didoping (ITO, FTO), nanotube karbon, graphene, dan polimer konduktor, untuk memungkinkan konduktivitas listrik dan transparansi optik secara bersamaan di bawah deformasi mekanis. [1,2,3,4,5]. ITO dan FTO menderita biaya produksi dan kerapuhan karena sifat keramiknya, yang membatasi aplikasi pada permukaan yang tidak teratur [6, 7]. Stabilitas lingkungan yang buruk dan biokompatibilitas polimer konduktor dengan alasan ketidakstabilan keadaan doping belum terselesaikan [8]. Salah satu strategi utama adalah dengan menggunakan bahan nanomesh logam yang sangat konduktif pada substrat elastis [9]. Film logam sebagai elektroda transparan sebagian besar berasal dari kerapatan elektron bebas yang biasanya tinggi, yang memungkinkan film logam ultra tipis dengan ketebalan 1–40 nm memiliki transparansi optik dan konduktivitas yang sesuai [10]. Namun, film logam ultra tipis tunggal tidak dapat memiliki transmitansi yang tinggi karena refleksi permukaan yang tinggi bahkan jika penyerapan di dalam film logam dapat diabaikan dengan mengatur ketebalannya yang sebanding dengan kedalaman kulit [11, 12]. Untuk mengatasi masalah tersebut, elektroda logam transparan berstruktur nano baru-baru ini dikembangkan untuk memungkinkan cahaya melewati dan mungkin mencapai transmisi optik tinggi sambil mempertahankan ketahanan lembaran logam yang rendah dan fleksibilitas yang efektif [13,14,15,16,17] . Kawat nano perak menunjukkan resistansi lembaran rendah dan transparansi tinggi sebagai elektroda transparan fleksibel untuk menggantikan ITO [13,14,15]. Namun, beberapa kelemahan, seperti resistansi sambungan yang besar, area kontak yang kecil, dan korosi yang mudah karena oksidasi dan vulkanisasi belerang, menurunkan kinerja elektroda kawat nano perak [10]. Mempertimbangkan masalah stabilitas jangka panjang, beberapa logam seperti Au dan Pt harus dikembangkan terlebih dahulu, berdasarkan stabilitas listrik jangka panjangnya tanpa menimbulkan korosi melalui oksidasi [16, 17]. Elektroda AuNM transparan dengan topologi seperti mesh telah semakin dieksplorasi untuk kinerja yang lebih baik [18, 19]. Namun, mencapai trade-off yang baik antara transmitansi dan konduktivitas AuNM telah menjadi tantangan karena dua sifat berbanding terbalik [20, 21]. Pengaruh ukuran mesh pada sifat fleksibilitas mekanik belum diselidiki untuk diterapkan pada elektronik fleksibel [22].
Dalam makalah ini, kami mendemonstrasikan elektroda AuNM transparan fleksibel yang dibuat dengan teknik litografi nanosfer (NSL) serbaguna [23,24,25]. Elektroda AuNM yang dihasilkan dengan struktur nano heksagonal, seragam, dan periodik menunjukkan transmitansi dan ketahanan lembaran yang sangat baik. Hasil simulasi berdasarkan analisis elemen hingga (FEA) menunjukkan kesepakatan yang baik dengan hasil eksperimen, dan hasil menunjukkan trade-off yang baik antara transmitansi dan konduktivitas AuNM dapat dicapai melalui peningkatan ketebalan AuNM yang tepat tidak lebih dari 40 nm. Penyelidikan fleksibilitas lebih lanjut menunjukkan bahwa elektroda AuNM dengan struktur mesh menunjukkan toleransi yang lebih tinggi daripada film massal Au, dan elektroda AuNM dengan lebar kawat antar-bukaan yang lebih kecil dapat menampung lebih banyak regangan tarik daripada rekan dengan lebar kawat antar-bukaan yang lebih besar. Tes bangku menunjukkan elektroda AuNM yang disiapkan memiliki transmitansi tinggi, resistansi lembaran rendah, dan fleksibilitas yang sangat baik.
NSL semakin menarik perhatian sebagai teknik skala wafer dan murah untuk fabrikasi struktur nano yang teratur, seragam, dan dapat disetel menggunakan monolayer polistiren yang dikemas rapat secara heksagonal (PS, Aladdin Co., Ltd.) sebagai templat [26 ,27,28].
Gambar 1a menunjukkan proses fabrikasi untuk AuNM menggunakan teknik NSL. (i) Setelah monolayer penuh bola PS dengan diameter awal D =1 μm diendapkan ke substrat polietilen tereftalat (PET, Aladdin Co., Ltd.) setebal 500 m pada kaca, yang dibersihkan dengan isopropanol dan air deionisasi secara berurutan melalui antarmuka udara/air dengan perakitan sendiri, diameter dari bola PS dikurangi melalui etsa ion reaktif (RIE, etsa gas:O2 dan CHF3 ) untuk membuat celah antara bola PS. (ii) Nanomesh logam terbentuk di kekosongan antara bola PS setelah pengendapan lapisan penyangga 2 nm Ti dan 20 nm Au melalui penguapan berkas elektron. (iii) Setelah bola PS dihilangkan dengan pita perekat dan sonikasi, nanomesh logam pada substrat dihasilkan. Mikrostruktur yang diperoleh dikarakterisasi dengan mikroskop elektron pemindaian (SEM, Nova NanoSEM 450, FEI, Eindhoven, Belanda). Untuk mendemonstrasikan kinerja transmitansi dan resistansi lembaran secara visual di bawah tegangan regangan, kami mengembangkan pengaturan pengukuran seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b. Dalam pengujian ini, membran AuNM tipikal dengan lebar kawat antar-bukaan rata-rata ~ 160 nm dan ketebalan ~ 20 nm pada film PET (ketebalan ~ 500 μm) diadopsi. Elektroda AuNM transparan dan bengkok di bawah tegangan regangan dihubungkan dengan kawat dengan pasta perak konduktif dan pita tembaga konduktif untuk kontak listrik yang baik, menghasilkan nyala LED, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b. Tes ini menunjukkan elektroda AuNM yang disiapkan memiliki transmitansi tinggi, resistansi lembaran rendah, dan fleksibilitas yang sangat baik.
a Skema aliran preparasi elektroda AuNM. b Demonstrasi kinerja transmitansi dan konduktivitas
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, AuNM yang disiapkan memiliki struktur nano yang dikontrol dengan tepat yang menunjukkan keseragaman yang sangat baik dengan lubang melingkar periodik yang tersusun secara heksagonal. Enam sampel AuNM berbeda dengan rata-rata lebar kawat antar-bukaan, yaitu kekosongan antara dua bola PS (diberi label sebagai “w,” bervariasi dari 100 nm hingga 175 nm, w1 =100 nm, w2 =115 nm, w3 =130 nm, w4 =145 nm, w5 =160 nm, w6 =175 nm), disiapkan untuk perbandingan.
Gambar struktur AuNM. a Gambar SEM tampilan atas dari enam sampel eksperimental yang berbeda, dan b gambar tampilan atas dari enam model numerik yang berbeda. Bilah skala:500 nm
Sebagai perbandingan, enam model numerik yang berbeda (Gbr. 2b) dengan parameter yang sama dengan sampel AuNM yang disiapkan telah dianalisis dalam simulasi FEA.
Dalam simulasi elektromagnetik, sumber cahaya diatur untuk membuat cahaya terpolarisasi sirkular pada sel satuan AuNM pada PET, seperti yang ditunjukkan pada file tambahan 1:Gambar S1. Bola terintegrasi digunakan untuk mengukur total cahaya yang ditransmisikan dan bukan hanya transmitansi specular. Kondisi batas periodik digunakan untuk mensimulasikan dalam satu sel satuan pada arah horizontal. Dan kondisi batas lapisan yang sangat cocok digunakan untuk mencegah hamburan tidak fisik di tepi sel unit yang disimulasikan dalam arah vertikal [29]. Selanjutnya, parameter properti material diterapkan dari data eksperimen yang dipublikasikan, yang sama untuk material simulasi mekanik [30]. File tambahan 1:Gambar S2 masing-masing menunjukkan diagram skema model AuNM dan AuNM pada PET dalam simulasi fleksibilitas mekanik.
Model teoritis divalidasi dengan membandingkan hasil simulasi dengan data eksperimen. Transmisi pada 550 nm dan sifat resistansi lembaran dari enam sampel yang berbeda berdasarkan data simulasi dan eksperimen ditunjukkan pada Gambar. 3. Seiring dengan peningkatan lebar kawat antar-bukaan, baik transmitansi dan resistansi lembaran menurun. Secara khusus, tren variasi data simulasi adalah linier. Sifat transmitansi dan resistansi lembaran yang diukur sesuai dengan sifat simulasi, yang menunjukkan bahwa metode fabrikasi NSL dapat diandalkan. Transmitansi terbesar 89% dan resistansi lembaran 104,5 Ω/□ diukur pada lebar kawat terkecil 100 nm, dan lebar kawat terbesar 175 nm menghasilkan transmitansi 65% dan resistansi lembaran 16,5 Ω/□. Dari pertimbangan geometris, transmitansi yang lebih tinggi berasal dari aperture yang lebih besar, yaitu lebar kawat yang lebih kecil karena berkurangnya waktu etsa untuk bola PS, yang mengakibatkan berkurangnya area untuk menghalangi cahaya. Namun, lebar kawat yang lebih kecil menghasilkan peningkatan resistansi lembaran karena penurunan jalur konduksi elektron untuk mengalir.
Transmitansi dan resistansi lembaran vs. lebar kabel antar-bukaan AuNM (pada λ =550 nm dan ketebalan =20 nm)
Perlu dicatat bahwa transmitansi dan resistansi lembaran menurun secara linier ketika lebar kawat antar-bukaan meningkat dalam hasil simulasi berdasarkan periodisitas sempurna model simulasi. Sebaliknya, kinerja transmitansi dan ketahanan lembaran dalam hasil eksperimen mengalami degradasi karena kurang lebih beberapa cacat yang tak terhindarkan, ketidakmurnian, dan kekasaran permukaan.
Untuk memaksimalkan potensi AuNM untuk digunakan sebagai elektroda transparan, biasanya diinginkan untuk memiliki transmisi tinggi dan resistansi lembaran rendah. Namun, mencapai trade-off yang baik antara transmitansi dan konduktivitas AuNM telah menjadi tantangan karena kedua properti berbanding terbalik. Untuk mengatasi masalah ini, di sini, kami menganalisis secara teoritis efek ketebalan AuNM pada transmitansi dan resistansi lembaran. Semua simulasi dilakukan pada panjang gelombang 550 nm yang sama, lebar kawat antar-apertur rata-rata 160 nm, dan ketebalan 10 hingga 100 nm. File tambahan 1:Gambar S3 menunjukkan peta distribusi potensial AuNM pada arus konstan. Pada tahap awal pada Gambar 4, peningkatan ketebalan AuNM menghasilkan penurunan resistensi lembaran yang cepat, yang menurun perlahan setelah ketebalan 40 nm. AuNM yang lebih tebal melebihi 40 nm mendekati jalur bebas rata-rata elektron dalam logam Au tidak dapat meningkatkan konduktivitas secara signifikan [31]. Sementara itu, transmitansi tinggi telah dipertahankan untuk waktu yang lama, yang menurun secara perlahan. AuNM yang lebih tebal akan meningkatkan jalur konduksi elektron untuk mengalir, yang menghasilkan resistansi lembaran rendah dengan sedikit degradasi transmisi karena aperture konstan dan lebar kawat.
Transmisi dan resistansi lembaran vs. ketebalan AuNM (pada λ =550 nm dan W5 =160 nm)
Upaya dapat dilakukan untuk meningkatkan transmitansi dan konduktivitas nanomesh logam tersebut dengan meningkatkan ketebalan AuNM secara tepat tidak lebih dari 40 nm, jalur bebas rata-rata elektron dalam logam Au.
Salah satu sifat menarik dari AuNM adalah fleksibilitas mekanik yang baik. Pengaruh regangan pada ketahanan lembaran diselidiki untuk menguji fleksibilitas mekanik AuNM di bawah pembengkokan. Untuk memudahkan analisis, sampel film massal Au dengan parameter yang sama sebagai rekan model film massal Au numerik (ketebalan ~ 20 nm) pada film PET (ketebalan ~ 500 μm) telah dibuat. Sisipan menunjukkan peta elektroda AuNM selama uji tekuk dan simulasi tekukan. File tambahan 1:Gambar S4 menunjukkan peta distribusi tegangan elektroda AuNM selama simulasi pembengkokan di bawah 1,5 × 10 9 T/m 2 kekuatan di Y arah, yang menunjukkan bahwa stres terutama terkonsentrasi di pusat AuNM. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 5, dalam uji lentur, pertama, film massal Au dengan lebar kawat antar-bukaan maksimum menunjukkan peningkatan dramatis dari resistansi lembaran pada regangan melebihi 1,9% dan kinerja fleksibel terburuk. Namun, enam elektroda AuNM tetap memiliki resistansi awal hingga rasio regangan mencapai 2,1%. Pada saat yang sama, saat lebar kabel antar-bukaan menurun, elektroda AuNM mengalami kegagalan listrik secara bertahap, karena kerusakan elektroda AuNM seluruhnya.
Tingkat ketegangan vs. R /R 0 untuk elektroda AuNM dan film curah Au (R /R 0 , di mana R 0 adalah resistansi awal di bawah regangan nol). Sisipan menunjukkan peta elektroda AuNM masing-masing selama uji tekukan dan simulasi tekukan
Tidak sulit untuk menemukan elektroda AuNM dengan struktur mesh yang menunjukkan toleransi lebih tinggi daripada film massal Au, dan elektroda AuNM dengan lebar kawat antar-bukaan yang lebih kecil menunjukkan kinerja fleksibel yang lebih baik. Gaya yang diterapkan pada sampel akan menyebabkan regangan tarik, yang dapat diakomodasi oleh rotasi dalam bidang dan distorsi nanomesh periodik tanpa kerusakan AuNM [32]. Namun, film curah Au tidak dapat mengakomodasi regangan tarik yang diterapkan, yang menyebabkan kerusakan pada titik ambang regangan tarik dan kegagalan listrik.
Hasil simulasi menunjukkan kesesuaian yang baik dengan hasil eksperimen kecuali bahwa titik ambang regangan tarik dalam hasil simulasi (mendekati 1,2) lebih rendah dari hasil eksperimen. Hal ini disebabkan sampel fabrikasi dengan ukuran beberapa sentimeter persegi dapat menampung lebih banyak regangan tarik dibandingkan dengan model simulasi dengan ukuran beberapa mikron persegi.
Selain itu, untuk menilai stabilitas elektroda, nilai resistansi lembaran elektroda AuNM diukur saat uji tekuk berlangsung. Elektroda AuNM pada film PET ditekuk hingga 400 siklus di bawah radius kelengkungan minimum 5 mm dan maksimum 15 mm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, menunjukkan stabilitas fleksibel yang baik.
Resistansi lembaran vs. siklus tekuk dalam uji tekuk mekanis AuNM (pada W5 =160 nm dan ketebalan =20 nm)
Kesimpulannya, hasil ini menunjukkan elektroda AuNM transparan yang fleksibel dapat disintesis menggunakan teknik NSL serbaguna. Elektroda AuNM yang dihasilkan dengan struktur nano heksagonal, seragam, dan periodik menunjukkan transmitansi dan ketahanan lembaran yang sangat baik. Hasil simulasi menunjukkan kesesuaian yang baik dengan hasil eksperimen, yang menunjukkan bahwa metode fabrikasi NSL dapat diandalkan. Pertukaran yang baik antara transmitansi dan konduktivitas AuNM dapat dicapai melalui peningkatan ketebalan AuNM yang tepat tidak lebih dari 40 nm, jalur bebas rata-rata elektron dalam logam Au. Dalam penyelidikan fleksibilitas, elektroda AuNM dengan struktur mesh menunjukkan toleransi yang lebih tinggi daripada film massal Au, dan elektroda AuNM dengan lebar kawat antar-bukaan yang lebih kecil dapat menampung lebih banyak regangan tarik daripada rekan dengan lebar kawat antar-bukaan yang lebih besar; uji lentur mekanis menunjukkan stabilitas fleksibel yang baik dari AuNM. Elektroda AuNM yang disiapkan dengan transmitansi tinggi, resistansi lembaran rendah, dan fleksibilitas yang sangat baik membentuk pendekatan yang menjanjikan menuju elektroda AuNM transparan fleksibel skala besar generasi berikutnya, dengan utilitas luas untuk aplikasi dalam elektronik fleksibel termasuk biosensor dan perangkat optoelektronik.
nanomesh emas
Analisis elemen hingga
Litografi Nanosfer
Polietilen tereftalat
Bola polistirena
Pemindaian mikroskop elektron
bahan nano
Abstrak Molibdenum disulfida (MoS2 ) dan elektroda polianilin (PANI) didekorasi dengan tabung nano karbon berdinding banyak (MWCNTs) berdasarkan metode hidrotermal wajah dan polimerisasi in situ dan disajikan dalam superkapasitor asimetris (ASC). MoS2 dan MWCNT dengan rasio mol 1:1 dalam MoS2 | Ele
Abstrak Aplikasi graphene sebagai elektroda konduktif transparan (TCE) telah terhambat baik oleh biaya tinggi graphene kristal tunggal atau keseimbangan antara transparansi dan ketahanan lembaran graphene polikristalin. Dalam karya ini, kami mengusulkan untuk membuat grid film graphene multilayer (
Abstrak Biosensor glukosa berkinerja tinggi sangat diinginkan untuk perawatan kesehatan. Untuk memenuhi tuntutan ini, biosensor glukosa, khususnya biosensor glukosa bebas enzim, telah mendapat banyak perhatian. Bahan dua dimensi, misalnya, graphene, dengan luas permukaan yang tinggi, sifat listrik
Abstrak Rekayasa regangan telah menjadi salah satu metode yang efektif untuk menyesuaikan struktur elektronik bahan, yang dapat dimasukkan ke dalam sambungan molekul untuk menginduksi beberapa efek fisik yang unik. Berbagai -graphyne nanoribbons (γ-GYNRs) yang tertanam di antara elektroda emas (Au)