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Rapports scientifiques volume 5, Numéro d'article : 16838 (2015) Citer cet article

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Nous rapportons une électrode à mailles multicouches Cu2O/Cu/Cu2O sans indium et rentable développée par pulvérisation cathodique rouleau à rouleau à température ambiante comme alternative viable aux électrodes ITO pour la production rentable de panneaux à écran tactile flexibles de grande surface (TSP). En utilisant une couche intermédiaire de Cu métallique à faible résistivité et une structure maillée à motifs, nous avons obtenu des électrodes à mailles multicouches Cu2O/Cu/Cu2O avec une faible résistance de feuille de 15,1 Ohm/carré et une transmission optique élevée de 89 % ainsi qu'une bonne flexibilité mécanique. Les résultats des tests de flexion externe/interne ont montré que l'électrode à mailles Cu2O/Cu/Cu2O avait une flexibilité mécanique supérieure à celle des films ITO conventionnels. À l'aide des électrodes à mailles multicouches Cu2O/Cu/Cu2O à motif de diamant, nous avons démontré avec succès des TSPS de type film-film flexible et des TSP de type film-film de verre rigide. Les TSP avec électrode à mailles Cu2O/Cu/Cu2O ont été utilisés pour effectuer des fonctions de zoom avant/arrière et d'écriture multi-touch, indiquant que ces électrodes sont des électrodes transparentes rentables prometteuses pour remplacer les électrodes ITO conventionnelles dans les TSP flexibles de grande surface.

Les panneaux à écran tactile (TSP) ont été considérés comme des composants clés dans les dispositifs d'information tels que les téléphones cellulaires mobiles, les systèmes de navigation, les écrans plats informatifs et les tablettes mobiles. Parmi les différents types de TSP, les TSP de type capacitif sont le type le plus couramment utilisé dans les dispositifs d'information mobiles en raison de leur capacité de fonction multi-touch et multitâche ainsi que de leur processus de fabrication facile. Cependant, avec l'émergence des téléphones cellulaires mobiles flexibles et des écrans plats incurvés, de grands efforts ont été faits pour développer des TSP flexibles de type capacitif1,2. Pour réaliser des TSP flexibles hautes performances, il est important de développer des électrodes transparentes et flexibles de haute qualité car la fonction multi-touch ou la vitesse tactile des TSP, ainsi que leur transparence, dépendent de manière critique de la résistance de la feuille et de la transparence optique de leurs électrodes transparentes. Bien que les films d'oxyde d'indium et d'étain (ITO) soient le plus souvent utilisés comme électrodes transparentes dans les TSP de type résistif ou capacitif en raison de leur transparence et de leur conductivité élevées, il existe des problèmes critiques qui rendent impossible l'utilisation d'ITO dans des TSP flexibles et économiques, notamment la haute résistance de feuille des films minces d'ITO, la rareté des ressources en indium et donc le coût élevé de l'ITO et les mauvaises propriétés mécaniques des films d'ITO3,4,5. Pour remplacer les films ITO conventionnels à coût élevé, plusieurs matériaux d'électrode transparents ont été étudiés pour être utilisés comme électrodes transparentes rentables dans les TSP, y compris le réseau de nanotubes de carbone (CNT), le film de graphène et le film polymère conducteur6,7,8,9,10. Cependant, ces électrodes transparentes n'ont donné que des performances modestes dans les TSP en raison de la résistance de feuille relativement élevée des NTC ou du graphène et de l'instabilité des polymères conducteurs. De plus, les réseaux de percolation de nanofils métalliques (NW) et les électrodes de grille métallique à base d'Ag ou de Cu ont également été intensivement étudiés en raison de leur faible résistivité et de leur flexibilité supérieure11,12,13,14,15,16. Cependant, la mauvaise adhérence des réseaux Ag NW, leur topographie non uniforme, leur dégradation facile et leur instabilité contre l'électricité statique est un problème critique pour les électrodes de réseau Ag NW14. Dans le cas des électrodes de grille métalliques (Ag ou Cu), la résistivité est très faible (2,0–4,2 × 10−5 Ohm-cm) mais l'utilisation de métal hautement réfléchissant entraîne des problèmes de visibilité17,18. Bien que Kim et al. ont rapporté la faible résistance de feuille (6,197 Ohm/carré) et la haute transmittance (90,65 %) du maillage en nid d'abeilles en Cu recouvert d'un film de ZnO dopé à l'Al, la réflectivité élevée de la grille métallique en Cu reste un problème à utiliser comme électrodes transparentes pour les TSP19. Récemment, les électrodes multicouches oxyde-métal-oxyde (OMO) sont apparues comme des électrodes transparentes prometteuses pour les diodes électroluminescentes organiques flexibles, les cellules solaires organiques flexibles, les TSP flexibles, les dispositifs de mémoire flexibles et les transistors à couches minces d'oxyde flexible en raison de leur faible résistivité, de leur haute transmittance et de leur bonne flexibilité. Cependant, les films multicouches OMO tels que ITO/Ag/ITO, IZO/Ag/IZO et IZTO/Ag/IZTO contiennent toujours les éléments coûteux d'indium et d'argent. Bien que ces électrodes OMO à base d'Ag aient été largement explorées en raison de la très faible résistivité causée par la couche intermédiaire d'Ag et de la transmittance élevée causée par l'effet antireflet de la structure diélectrique/métal/diélectrique, il n'y a eu aucun rapport sur l'utilisation de multicouches OMO à motif maillé comme électrodes transparentes et flexibles pour les TSP flexibles. En particulier, le développement de multicouches OMO à base de Cu sans indium de structure maillée est impératif pour remplacer les multicouches OMO conventionnelles à coût élevé à base d'ITO ou d'Ag pour permettre des TSP de type capacitif flexibles et rentables.

Dans ce travail, nous avons étudié les propriétés électriques, optiques et mécaniques des électrodes multicouches Cu2O/Cu/Cu2O à motifs de mailles développées en utilisant la pulvérisation roll-to-roll (RTR) et la structuration humide basée sur RTR à température ambiante. En modelant par voie humide une multicouche Cu2O/Cu/Cu2O sous la forme d'une structure maillée de type diamant, nous avons fabriqué une électrode maillée transparente Cu2O/Cu/Cu2O avec une résistance de feuille de 38 Ohm/carré et une transmittance optique de 90 %. À notre connaissance, il s'agit du premier rapport sur l'utilisation de l'électrode à mailles multicouches OMO à base de Cu pour les TSP flexibles. Les TSP flexibles de type capacitif avec grille multicouche Cu2O/Cu/Cu2O ont été exploités avec succès, démontrant ainsi la possibilité d'utiliser des électrodes à mailles Cu2O/Cu/Cu2O économiques pour remplacer les électrodes ITO conventionnelles à coût élevé ou les électrodes OMO à base d'Ag.

La figure 1a illustre schématiquement le processus de pulvérisation RTR en continu utilisé pour déposer le Cu2O inférieur, la couche intermédiaire de Cu et le film supérieur de Cu2O sur un substrat en PET flexible sans casser le vide. À l'aide d'un système de pulvérisation RTR à l'échelle pilote (Figure S1), la multicouche Cu2O/Cu/Cu2O a été déposée sur un substrat en PET de 250 mm de large en utilisant une cible métallique Cu rectangulaire sous Ar/O2 ambiant pour les couches Cu2O et Ar ambiant pour l'intercalaire Cu. Par souci de simplicité, nous désignerons ci-après les films multicouches Cu2O/Cu/Cu2O par films OCO. La figure 1b montre le film multicouche OCO brun-noir résultant; il avait la très faible résistance de feuille de 0,2 Ω / carré et la résistivité de 5,9 × 10−5 Ω-cm avant la formation de motifs de maille. La figure 1c montre une image au microscope optique des électrodes à maille OCO supérieure et inférieure fusionnées ayant des motifs en forme de losange; ces électrodes fusionnées ont été utilisées pour fabriquer des TSP flexibles. Contrairement à la couleur noire des films multicouches OCO tels que déposés sur la figure 1b, les électrodes OCO à motif de maille étaient très transparentes en raison de leur grille de maille très fine, d'environ 5 μm de large. La figure 1d montre un TSP flexible avec des électrodes à maille OCO transparentes. Si le verre de protection supérieur était retiré, les TSP pourraient fonctionner comme des TSP flexibles car les films OCO/PET supérieur et inférieur avaient une bonne flexibilité (Fig. 1d, à gauche).

(a) Illustration schématique du processus de pulvérisation continue RTR utilisé pour fabriquer des films multicouches Cu2O/Cu/Cu2O sur un substrat en PET. (b) Image de l'électrode multicouche Cu2O/Cu/Cu2O brun-noir avant le maillage. ( c ) Image au microscope optique des électrodes à mailles Cu2O / Cu / Cu2O fusionnées en haut et en bas. ( d ) Image de TSP flexibles utilisant des électrodes à mailles supérieures et inférieures à motif de losanges d'une largeur de ligne de 5 μm et d'un espacement de 450 μm, avant et après la fixation du verre de couverture.

La figure 2a illustre schématiquement le processus de maillage de films multicouches OCO pulvérisés par RTR en utilisant un système de gravure humide à base de RTR (figure S2). Par revêtement RTR d'une couche de photoréserve liquide (LPR) et exposition aux UV des films LPR / OCO / PET à masque positif, nous avons réussi à modeler des films multicouches OCO à mailles structurées de différentes largeurs de mailles de 5 à 11 μm (Fig. 2b). En raison de la couleur sombre de la couche de Cu2O, il n'y avait pas de scintillement de l'électrode à mailles OCO, contrairement aux électrodes à grille à mailles métalliques Ag ou Cu. L'image du bas de la figure 2b montre clairement la transparence élevée des films OCO à motifs maillés pour toutes les largeurs de ligne inférieures à 11 μm. La pulvérisation continue RTR et le processus de gravure humide à base de RTR des films multicouches OCO indiquent que le processus de fabrication de l'électrode de grille multicouche OCO est bien compatible avec le processus de fabrication d'électrode ITO actuel.

( a ) Illustration schématique du processus de structuration des mailles utilisé pour former des films multicouches OCO de différentes largeurs de lignes de grille de mailles. ( b ) Images au microscope des maillages multicouches OCO de différentes largeurs de ligne et images démontrant la transparence des électrodes de maillage OCO.

La figure 3a montre les résultats de mesure de Hall obtenus à partir d'électrodes multicouches OCO à motifs maillés de différentes largeurs de ligne. La résistance de feuille et la résistivité des électrodes à mailles OCO ont considérablement diminué lorsque la largeur de ligne a été augmentée de 5 à 11 μm. L'électrode à mailles OCO d'une largeur de ligne de 11 μm avait la résistance de feuille la plus faible de 15, 1 Ω / carré et la résistivité de 6, 8 × 10 - 4 Ω-cm, en raison de la présence de la couche intermédiaire de Cu métallique. Cependant, par rapport aux films OCO tels que déposés avant la formation de motifs humides, les électrodes OCO à motifs maillés ont montré une résistivité et une résistance de feuille accrues car la majeure partie de la couche de Cu a été éliminée par un processus de gravure humide pour augmenter la transparence de la multicouche OCO. Bien que la résistivité des électrodes OCO à motif maillé soit supérieure à celle des grilles métalliques Ag ou Cu en raison de la présence de la couche Cu2O semi-conductrice supérieure et inférieure dans la multicouche OCO, la résistance de feuille était acceptable pour la fabrication de TSP flexibles de grande surface au-dessus de 40 pouces1,17,18,19. En supposant que la résistance totale de l'électrode à mailles OCO peut être représentée simplement comme des résistances couplées en parallèle des couches inférieures de Cu2O, Cu et supérieure de Cu2O (Fig. 3b). Le chemin de conduction principal dans cette électrode multicouche OCO est probablement la couche intermédiaire de Cu métallique, similaire aux électrodes multicouches OMO rapportées précédemment. Pour élucider la contribution électrique de la couche de Cu dans la multicouche OCO telle que déposée, la résistance de feuille et la résistivité de la fine couche de Cu insérée ont été extraites à l'aide des équations suivantes (1) et (2).

( a ) Résistance de feuille et résistivité des électrodes à mailles multicouches OCO par rapport à leurs largeurs de ligne de grille. (b) Circuit schématique de l'électrode à mailles multicouches OCO. ( c ) Transmission optique et ( d ) réflectance des électrodes à mailles multicouches OCO ayant différentes largeurs de ligne. (e) Comparaison des transmittances optiques de plusieurs électrodes transparentes avec l'électrode à mailles OCO. ( f ) Profil de profondeur XPS du multicouche OCO.

où, le Rtotal, RCu2O et RCu sont la résistance de feuille de multicouche, Cu2O et Cu, respectivement. De même, t et ρ sont l'épaisseur et la résistivité des films. En supposant que le Rtotal de la multicouche OCO telle que déposée résultait de la résistance de l'unique couche inférieure de Cu2O (RB-ITO : 34,53 Ohm-cm), des couches de Cu (RCu) et supérieure de Cu2O (RT-ITO) couplées en parallèle, comme indiqué dans l'encadré de la Fig. 3b, il est possible de calculer la résistivité de la couche intermédiaire de Cu. La résistivité calculée de la couche intermédiaire de Cu insérée s'est avérée être de 3,0 × 10−6 Ohm-cm, ce qui est légèrement supérieur à celui du Cu en vrac (1,7 × 10−6 Ohm-cm). Par conséquent, il était évident que l'insertion de la couche de Cu diminuait de manière significative la résistance de feuille totale et la résistivité de l'électrode multicouche OCO. Ainsi, les propriétés électriques de l'électrode à mailles OCO seraient principalement affectées par les propriétés électriques de la couche intermédiaire de Cu. La figure 3c, d montre la transmission optique et la réflexion des électrodes OCO à motifs maillés sur le substrat PET en fonction de leur largeur de ligne. Le tableau 1 résume les propriétés optiques des électrodes OCO à motifs maillés. Bien que la transmission optique de ces électrodes OCO ait légèrement diminué avec l'augmentation de la largeur de la grille de maille, toutes les électrodes à mailles multicouches OCO ont montré une transmission optique élevée dans la région de la longueur d'onde visible, suffisante pour être utilisée dans la fabrication de TSP flexibles et de grande surface. Les électrodes OCO à motif maillé ont montré une transmission maximale de 90 % à 550 nm et une transmission moyenne de 89 % sur la plage de longueur d'onde visible de 380 à 780 nm. Il convient de noter que la transmission optique des électrodes à mailles multicouches OCO est très cohérente sur toute la gamme visible. En général, les électrodes multicouches OMO transparentes présentent une transmittance considérablement réduite dans la région proche IR en raison de la forte réflexion de la couche intermédiaire métallique20,21. Cependant, l'électrode multicouche OCO à motif maillé présentait une transmittance NIR élevée même si elle contenait une couche de métal Cu. La figure 3d montre les spectres de réflectance obtenus à partir d'une électrode à mailles OCO à motifs et d'une multicouche OCO telle que déposée. Comme prévu sur la base des résultats de transmission optique, toutes les électrodes multicouches OCO à motif maillé ont montré une faible réflexion de 8%, bien inférieure à la réflexion de 28, 5% des films OCO sans motif (Fig. 1b). La réflexion des films OCO sans motif tels que déposés pourrait être attribuée à la réflexion de la couche intermédiaire de Cu. En général, la forte réflexion de la couche métallique Ag, Al ou Cu a conduit au scintillement des électrodes de la grille métallique. Cependant, la faible réflexion de la multicouche OCO à motifs causée par la couche de Cu2O noire indique qu'il n'y a pas de scintillement des électrodes OCO contrairement aux électrodes de grille métalliques Ag ou Cu conventionnelles. Sur la base des résistances de feuille et des transmittances moyennes des électrodes à mailles OCO, la largeur de grille de maille optimale pour obtenir une électrode à mailles OCO de haute qualité peut être déterminée. Le facteur de mérite (T10/Rsheet) de l'électrode à mailles multicouches OCO a été calculé sur la base de la transmission optique moyenne (T) et de la résistance de feuille (Rsheet)28. Le facteur de mérite maximal (18,6 × 10−3 Ω−1) a été obtenu pour la grille à mailles OCO de largeur de trait 11 μm. Ceci est comparable au facteur de mérite précédemment rapporté de 24,7 × 10−3 Ω−1 pour une couche ITO/Ag/ITO développée sur un substrat de verre20. La figure 3e compare la transmittance optique de l'électrode à grille à mailles OCO à plusieurs autres électrodes transparentes ; graphène transféré, réseau de nanofils Ag, polymère conducteur (PEDOT:PSS) et ITO/verre cristallin. À une longueur d'onde de 550 nm, l'électrode OCO à motif maillé a montré une transmission optique plus élevée que les quatre de comparaison. La figure 3f montre un profil de profondeur XPS obtenu à partir d'une électrode OCO développée sur un substrat PET, montrant clairement sa composition simple des éléments rentables de cuivre et d'oxygène. Le profil de profondeur XPS montre clairement que la couche Cu2O supérieure individuelle, la couche intermédiaire Cu et la couche Cu2O inférieure étaient bien définies sur le PET, sans réaction interfaciale entre les couches Cu et Cu2O. Les couches inférieure et supérieure de Cu2O étaient symétriques, ce qui indique que ces couches avaient la même épaisseur et la même composition en raison du contrôle exact du processus de pulvérisation RTR. L'énergie de liaison de Cu 2p1/2 (951,5 eV) et 2p3/2 (931,7 eV) indiquait que le réactif RTR pulvérisé à partir de la cible de métal Cu sous Ar/O2 ambiante était la phase d'oxyde cuivreux (Cu2O), comme confirmé par les examens XPS et de diffraction des rayons X (Figure S3)29,30,31,32,33.

La microstructure de l'électrode OCO à motif maillé a été examinée par diffusion synchrotron des rayons X (XRS) et microscopie électronique à transmission (TEM). La figure 4a montre les tracés synchrotron XRS obtenus à partir d'une électrode multicouche OCO sur un substrat en PET, comprenant des pics cristallins de Cu2O (111), (200) et (220) ainsi que des pics de Cu (111) et (200). La phase cristalline des films de Cu2O était de l'oxyde cuivreux, qui est la phase privilégiée lors de la pulvérisation réactive de Cu sous oxygène ambiant31,32,33. Le Cu pulvérisé réactif pourrait former deux oxydes différents, tels que l'oxyde cuivreux (Cu2O) et l'oxyde cuivrique (CuO), en fonction du rapport de débit d'oxygène : en raison du faible rapport de débit d'oxygène pendant la pulvérisation RTR, le Cu pulvérisé réactif a formé un oxyde cuivreux sur le substrat PET même s'il a été préparé à température ambiante. La figure 4b montre des images TEM en coupe d'une électrode multicouche OCO; ces images montrent clairement les couches inférieures Cu2O (150 nm), Cu (150 nm) et supérieures Cu2O (150 nm) bien définies, sans couches d'interface, comme prévu sur la base des résultats du profilage de profondeur XPS. Ces interfaces nettes indiquaient qu'il n'y avait pas de réaction interfaciale ou de formation d'une couche d'oxyde interfaciale entre les couches Cu2O et Cu, ce qui a été attribué à l'utilisation d'un processus de pulvérisation RTR continu sans casser le vide. Les structures symétriques des couches inférieure et supérieure de Cu2O ont indiqué que l'épaisseur du Cu2O était précisément calibrée en contrôlant la vitesse de roulement pendant la pulvérisation RTR. Un motif de transformée de Fourier rapide (FFT) dans l'encart de la figure 4b a montré un cercle faible et des points forts, qui ont été attribués aux couches polycristallines de Cu2O et de Cu31,32,33,34,35. La figure 4c est une image HRTEM obtenue à partir de la couche supérieure de Cu2O (T-Cu2O). Comme prévu sur la base du tracé XRS, la couche de T-Cu2O était polycristalline avec les orientations préférées (111) et (200). Même si la couche de T-Cu2O a été pulvérisée à température ambiante, elle a montré une structure polycristalline bien développée. La région brillante de la figure 4c montre clairement l'existence d'une phase de Cu2O cristalline préférée (111) dans la couche de T-Cu2O. Le motif FFT dans l'encart de la figure 4c montrait également des points et des cercles forts, indiquant une phase cuivreuse Cu2O polycristalline avec des orientations préférées (111) et (200). La figure 4d est une image HRTEM obtenue à partir de l'interface entre le T-Cu2O et la couche intermédiaire de Cu ; cette image montre l'interface bien définie entre la couche métallique Cu et la couche semi-conductrice Cu2O (indiquée par une ligne pointillée sur la figure), attribuée au processus de pulvérisation RTR à température ambiante effectué sans casser le vide. Comme discuté par Alford et al. la couche métallique dans une multicouche OMO agit comme une source d'électrons pour la couche d'oxyde ; par conséquent, la couche intermédiaire de Cu, qui était en bon contact avec la couche de Cu2O, pouvait fournir des électrons et augmenter la concentration de porteurs de la couche de Cu2O27.

( a ) Tracé de diffusion des rayons X synchrotron de l'électrode multicouche OCO. ( b ) Image TEM en coupe transversale de l'électrode multicouche OCO avec encart du motif FFT. ( c – d ) Images HRTEM obtenues à partir de la couche supérieure de Cu2O et de la région interfaciale supérieure Cu2O / Cu.

La figure 5a montre les résultats des tests de flexion externe/interne de films multicouches OCO pour divers rayons de flexion externe/interne. La variation de la résistance de l'électrode multicouche OCO qui résulte de la flexion peut être exprimée sous la forme (R-R0)/R0, où R0 est la résistance mesurée initiale et R est la résistance mesurée sous la flexion du substrat22,26. Le panneau supérieur de la Fig. 5 montre des images des étapes de test de flexion extérieure/intérieure avec un rayon de courbure décroissant. Les résultats des tests de flexion extérieure de la Fig. 5a ont montré que la multicouche OCO avait une résistance constante jusqu'à ce que le rayon de courbure atteigne 7 mm. Sur la base de l'équation suivante, nous pouvons calculer la déformation maximale du film multicouche OCO incurvé avec un rayon de courbure décroissant22,26.

( a ) Résultats des tests de flexion externe et interne de l'électrode OCO sur un substrat en PET flexible pour différents rayons de flexion. Films OCO/PET illustrés en médaillon sous flexion extérieure et intérieure. Les panneaux supérieurs montrent les étapes de flexion externe et interne des films OCO/PET. (b) Essai de fatigue dynamique externe et interne comprenant 10 000 cycles à rayon de courbure constant de 10 mm.

Ici, dOCO et dPET sont les épaisseurs de la multicouche OCO et du substrat PET, respectivement. La flexion d'un film OCO de 450 nm d'épaisseur sur un substrat en PET de 125 μm d'épaisseur au rayon de courbure de 7 mm a entraîné une déformation maximale de 0,95 %. Une diminution supplémentaire du rayon de courbure externe a rapidement augmenté dans le changement de résistance en raison de la formation et de la propagation de fissures dans la couche supérieure de Cu2O. Dans les tests de flexion interne, la résistance mesurée du film multicouche OCO était constante jusqu'à ce que l'échantillon soit plié à un rayon de flexion interne de 2 mm (la limite de flexion) ; à ces rayons, la multicouche OCO a subi la déformation maximale de 3,12 %. Même si les films OCO se sont délaminés du substrat PET ou que de nombreuses fissures se sont formées dans les films OCO dans ces conditions, le changement de résistance était très faible. Sous contrainte de compression, le film OCO flexible est resté fonctionnel malgré le délaminage local de la couche ou la formation de fissures, en raison du chevauchement des couches fissurées ou délaminées. Cependant, lorsqu'une flexion externe a été appliquée, les films OCO étaient soumis à une contrainte de traction, comme le montre l'encadré de la figure 5a. En raison de cette contrainte de traction, des fissures se sont formées et se sont propagées. Par conséquent, les fissures ont isolé la multicouche OCO et ont augmenté le changement de résistance lorsqu'elle était fortement pliée en dessous du rayon de courbure de 7 mm. La figure 5b montre les résultats des tests de flexion externes et internes dynamiques de l'échantillon d'électrode à mailles multicouche OCO optimisé avec des cycles de flexion croissants à un rayon de flexion interne fixe de 10 mm. Le rayon de courbure de 10 mm est un degré de courbure acceptable pour une application dans des TSP flexibles. Les deux tests de fatigue en flexion externe dynamique n'ont montré aucun changement de résistance (ΔR) après 10 000 cycles de flexion, démontrant la flexibilité supérieure de la multicouche OCO. Cette flexibilité supérieure peut être attribuée à la haute résistance à la rupture par déformation de la couche intermédiaire de Cu métallique entre les couches de Cu2O12.

La figure 6a montre la structure schématique des TSP de type film de verre (GFF) avec des électrodes à mailles OCO supérieures et inférieures en forme de losange. En appliquant des films adhésifs transparents optiques (OCA), les films d'électrode à mailles OCO supérieurs pourraient être fixés à l'électrode à mailles OCO inférieure. La figure 6b montre une image des films OCO/PET supérieurs, du film OCO/PET inférieur et des films OCO/OCA/OCO fusionnés avec un maillage en forme de losange d'une largeur de ligne de 5 μm utilisé pour fabriquer des TSP. En connectant les TSP de type GFF au logiciel, nous avons pu faire fonctionner le TSP basé sur l'électrode à mailles multicouches OCO à motif de diamant (Figure S4). La figure 6c montre les fonctions de zoom avant et de zoom arrière du TSP flexible fabriqué sur la base de l'électrode à mailles multicouches OCO à motif de diamant. Généralement, le TSP de type GFF fonctionnait par détection exacte des coordonnées XY et des caractéristiques de linéarité. Les TSP avec des électrodes à mailles OCO en forme de losange ont également fonctionné sans verre de protection, indiquant la possibilité de TSP flexibles basés sur les électrodes à mailles OCO. La figure 6d montre la fonction d'écriture multi-touch du TSP avec une couche de couverture en verre. Le TSP avec l'électrode à mailles multicouches OCO à motif de diamant a été utilisé avec succès pour effectuer des fonctions de zoom avant, de zoom arrière et d'écriture multi-touch. Cela a démontré que l'électrode à mailles multicouches OCO à motif de diamant, qui a une faible résistance de feuille et une transmission optique élevée ainsi qu'une bonne flexibilité mécanique, est une électrode transparente, flexible et rentable prometteuse pour remplacer les électrodes ITO conventionnelles dans les TSP flexibles de grande surface.

( a ) Structure schématique des TSP de type GFF avec des électrodes de grille multicouches supérieures et inférieures basées sur un film OCA. ( b ) Image de l'OCO / PET inférieur, de l'OCO / PET supérieur et de l'électrode à maille OCO fusionnée avec une largeur de ligne de grille de 5 μm, utilisée pour la fabrication de TSP de type GFF. ( c ) Fonction de zoom avant et arrière des TSP flexibles de type GFF fabriqués sur une électrode à mailles multicouches OCO à motif de diamant. (d) Les fonctions d'écriture multi-touch et d'écriture single-touch du TSP avec une couche de couverture en verre.

En résumé, nous avons développé une méthode pour fabriquer des électrodes à mailles multicouches OCO sans indium et rentables au moyen de la pulvérisation RTR à température ambiante ; ces électrodes OCO sont une alternative viable aux électrodes ITO ou aux électrodes OMO pour la production à faible coût de TSP flexibles. En utilisant la faible résistivité de la couche de Cu métallique et la structure de maillage à motifs, nous avons obtenu des électrodes de maillage multicouche OCO hautement transparentes avec une faible résistance de feuille. Il a été constaté que les propriétés électriques et optiques accordables des électrodes à mailles multicouches OCO étaient affectées par la largeur de la ligne de maille. Les résultats des tests de flexion externe/interne ont montré que l'électrode à mailles OCO avait une flexibilité mécanique supérieure à celle des films ITO conventionnels. En utilisant une électrode à mailles multicouches OCO à motif de diamants, nous avons démontré avec succès le fonctionnement des TSP flexibles, y compris les fonctions de zoom avant/arrière et l'écriture multi-touch ; cela indique que les électrodes à mailles OCO sont prometteuses comme substituts aux électrodes ITO conventionnelles dans les TSP flexibles de grande surface.

Des films multicouches OCO ont été pulvérisés en continu sur un substrat en PET d'une largeur de 250 mm (Kimoto Ltd., Japon) à température ambiante à l'aide d'un système de pulvérisation RTR spécialement conçu à l'échelle pilote (Figure S1). Avant la pulvérisation cathodique de la couche inférieure de Cu2O, la surface du substrat en PET a été prétraitée au moyen d'une irradiation par un faisceau d'ions Ar fonctionnant à une puissance continue pulsée de 1,2 kW ; cela a éliminé la contamination organique et amélioré l'adhérence entre la couche inférieure de Cu2O et le substrat en PET. Après ce traitement ionique, la couche inférieure de Cu2O de 150 nm d'épaisseur a été pulvérisée de manière réactive sur le substrat PET en utilisant une cible Cu (460 mm × 130 mm) ; les conditions opératoires utilisées étaient une puissance DC de 2,2 kW, une pression de travail de 3 mTorr, un débit Ar/O2 de 400/120 sccm et une vitesse de laminage de 0,4 m/min. Après la pulvérisation de la couche inférieure de Cu2O, une couche de Cu de 150 nm d'épaisseur a été directement pulvérisée sur la couche inférieure de Cu2O à une puissance continue constante de 2,2 kW, une pression de travail de 3 mTorr, un débit d'Ar de 450 sccm et une vitesse de laminage de 0,4 m/min. Enfin, la couche supérieure de Cu2O a été pulvérisée sur la couche de Cu en utilisant des conditions identiques à celles utilisées pour la couche inférieure de Cu2O et sans casser le vide.

La résistance de feuille et la résistivité des électrodes à mailles multicouches OCO ont été mesurées au moyen de mesures Hall (HL5500PC, Force 0,32 T, Accent Optical Technology) à température ambiante. La transmission optique de l'électrode à mailles multicouches OCO a été mesurée au moyen d'une spectrométrie UV/visible (Lambda 35) réalisée sur la gamme de spectres de 220 à 1600 nm. Les propriétés structurelles de l'électrode multicouche OCO ont été analysées au moyen d'une diffusion de rayons X synchrotron réalisée sur la ligne de faisceau GI-WAXS de la source lumineuse de Pohang. Les microstructures et les structures interfaciales des électrodes à mailles multicouches OCO optimisées ont été examinées au moyen de la microscopie électronique à haute résolution (HRTEM). Les images FFT ont été obtenues à partir d'un échantillon HREM en coupe préparé au moyen d'un broyage par faisceau ionique focalisé (FIB). De plus, les propriétés interfaciales des électrodes à mailles multicouches OCO optimisées ont été analysées à l'aide du profilage de profondeur par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS). Les propriétés mécaniques des multicouches OCO ont été évaluées en utilisant un système de flexion interne/externe spécialement conçu. Le test de flexion externe induit des contraintes de traction sur le film, tandis que le test de flexion interne induit des contraintes de compression. De plus, des essais de flexion dynamique par fatigue ont été effectués à l'aide d'une machine d'essai de flexion cyclique conçue en laboratoire, fonctionnant à la fréquence de 0,5 Hz pendant 10 000 cycles. Les résistances des multicouches OCO ont été mesurées tout au long de la flexion cyclique.

Pour le maillage des films OCO, une couche de photorésist liquide (LPR) a été déposée sur les films multicouches OCO pulvérisés RTR en utilisant un système de revêtement de matrice à fente commercial (DKT Ltd., Corée). Ensuite, les films OCO revêtus de LPR ont été passés sur une chambre de chauffage au moyen de mouvements de rouleaux de déroulement et de rembobinage (Figure S5). Les films multicouches OCO pulvérisés par RTR ont été modelés en utilisant un système de modelage humide (Figure S2). Les films multicouches OCO revêtus de LPR ont été exposés à la lumière UV en utilisant un masque de grille positif. Les films multicouches OCO exposés aux UV ont été modelés par un développeur de type pulvérisation en utilisant une solution de développement (EN-DT238E : hydroxyde de tétraméthylammonium 3 %, tensioactif 2 %, eau déminéralisée 95 %). Les films multicouches OCO à motifs ont ensuite été gravés par un système de gravure humide de type pulvérisation utilisant une solution de gravure (FeCl3 à 0, 5% dans de l'eau déionisée). Les films OCO gravés par voie humide ont été décapés par un système de décapage de type spray utilisant une solution de décapage (EN-S800Mo : éthers de glycol 10 %, gluconate de sodium 10 %, EDTA 10 %, tensioactif 5 %, eau déminéralisée 65 %). Enfin, les films multicouches OCO décapés ont été nettoyés par un système de rinçage de type pulvérisation utilisant de l'eau déminéralisée. Les électrodes à mailles multicouches OCO à motif de diamant résultantes ont été utilisées pour fabriquer des TSP flexibles de type film-film et des TSP rigides de type GFF. Les films OCO/PET supérieur et OCO/PET inférieur ont été attachés l'un à l'autre à l'aide d'un film OCA. Les films OCO/PET/OCA/OCO/PET résultants ont été connectés à une carte de circuit imprimé flexible en collant à la fois le motif métallique et le FPCB à un film conducteur anisotrope (Figure S4). En fixant le verre de protection aux films OCO/PET supérieurs, nous avons pu fabriquer les TSP rigides de type GFF. Enfin, le FPCB a été connecté à un contrôleur IC.

Comment citer cet article : Kim, D.-J. et coll. Électrodes à mailles Cu2O/Cu/Cu2O flexibles, hautement transparentes et sans indium pour écrans tactiles flexibles. Sci. Rep. 5, 16838; doi : 10.1038/srep16838 (2015).

Bae, SK et al. Production roll-to-roll de films de graphène de 30 pouces pour électrodes transparentes. Nature Nanotechnology 5, 574 (2010).

Article CAS ADS Google Scholar

Lee, J. et al. Nanosoudure à température ambiante d'un très long réseau de nanofils métalliques par assemblage assisté par polymère conducteur pour une application flexible d'écran tactile. Adv. Fonct. Mater. 23, 4171 (2013).

Article CAS Google Scholar

Lee, JH et al. Synthèse de nanofils d'Ag très longs et son application dans un panneau tactile à électrodes métalliques hautement transparentes, conductrices et flexibles. Nanoscale 4, 6408 (2012).

Article CAS ADS Google Scholar

Kumar A. & Zhou, C. La course au remplacement de l'oxyde d'indium dopé à l'étain : quel matériau l'emportera ? ACS Nano 4, 11 (2010).

Article CAS Google Scholar

Jeong, CW, Nair, P., Khan, M., Lundstrom, M. & Alam, MA Perspectives pour les films de graphène polycristallin dopés aux nanofils pour les électrodes ultratransparentes et hautement conductrices. Nano Lett. 11, 5020 (2011).

Article CAS ADS Google Scholar

Kim, KS et al. Croissance de motifs à grande échelle de films de graphène pour électrodes transparentes étirables. Nature 457, 706 (2009).

Article CAS ADS Google Scholar

Lee, J., Novoselov, KS & Shin, HS Interaction entre le métal et le graphène : dépendance au nombre de couches de graphène. ACS Nano 5, 608 (2011).

Article CAS Google Scholar

Feng, C. et al. Films conducteurs souples, étirables et transparents fabriqués à partir de nanotubes de carbone superalignés. Adv. Fonct. Mater. 20, 885 (2010).

Article CAS Google Scholar

Chen, R. et al. Réseau de nanofils d'argent enveloppés de graphène copercolant pour des électrodes conductrices transparentes hautes performances et très stables. Adv. Fonct. Mater. 23, 5150 (2013).

Article CAS Google Scholar

Ishikawa, FN et al. Electronique transparente basée sur des nanotubes de carbone alignés imprimés par transfert sur des substrats rigides et flexibles. ACS Nano 3, 73 (2009).

Article CAS Google Scholar

Xu, F. & Zhu, Y. Conducteurs de nanofils d'argent hautement conducteurs et extensibles. Adv. Mater. 24, 5117 (2012).

Article CAS Google Scholar

Kang, M.-G., Park, H.-J., Ahn, SH & Guo, LJ Électrode transparente en treillis de nanofils de Cu sur des substrats flexibles fabriqués par impression par transfert et son application dans les cellules solaires organiques. Sol. Matière énergétique. Sol. Cellules 94, 1179 (2010).

Article CAS Google Scholar

De, S. et al. Réseaux de nanofils d'argent sous forme de films flexibles, transparents et conducteurs : rapports de conductivité DC/optique extrêmement élevés. ACS Nano 3, 1767 (2009).

Article CAS Google Scholar

Hu, L., Kim, HS, Lee, JY, Peumans, P. & Cui, Y. Revêtement évolutif et propriétés des électrodes de nanofils d'argent transparents et flexibles. ACS Nano 4, 2955 (2010).

Article CAS Google Scholar

Lee, Y. et al., Électrodes en nanofibres métalliques adressables individuellement pour l'électronique de grande surface. Matériaux avancés 26, 8010 (2014).

Article CAS Google Scholar

Park, JH et al. Électrode à grille métallique flexible et transparente préparée par assemblage par évaporation. ACS Applied Materials & Interfaces 6, 12380 (2014).

Article CAS Google Scholar

Kang, MG, Kim, MS, Kim, JS & Guo, LJ Cellules solaires organiques utilisant des électrodes métalliques transparentes nanoimprimées. Adv. Mater. 20, 4408 (2008).

Article CAS Google Scholar

Tvingstedt, K. & Inganas, O. Grilles d'électrodes pour dispositifs photovoltaïques organiques sans ITO. Adv. Mater. 19, 2893 (2007).

Article CAS Google Scholar

Kim, W.-K. et coll. Maille Cu pour électrode conductrice transparente flexible, Sci. Rep. 5, 10715 (2015).

Article CAS ADS Google Scholar

Jeong, JA & Kim, HK Électrode multicouche ITO-Ag-ITO à faible résistance et hautement transparente utilisant la résonance plasmon de surface de la couche Ag pour les cellules solaires organiques à hétérojonction en vrac. Sol. Matière énergétique. Sol. Cellules 93, 1801 (2009).

Article CAS Google Scholar

Park, HK, Kang, JW, Na, SI, Kim, DY & Kim, HK Caractéristiques des électrodes multicouches GZO/Ag/GZO et AZO/Ag/AZO sans indium développées par pulvérisation CC à double cible à température ambiante pour le photovoltaïque organique à faible coût. Sol. Matière énergétique. Sol. Cellules 93, 1994 (2009).

Article CAS Google Scholar

Seo, KW, Lee, JH, Kim, HJ, Na, SI & Kim, HK Films de nanofils InTiO/Ag/InTiO hautement transparents et flexibles pour cellules solaires organiques flexibles. Appl. Phys. Lett. 105, 031911 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Kim, A., Won, YL, Woo, KH, Kim, CH et Moon, JH Électrode composite ZnO/Ag nanofil/ZnO hautement transparente à faible résistance pour cellules solaires à couches minces. ACS Nano 7, 1081 (2013).

Article CAS Google Scholar

Lim, JW & Kim, HK Électrode multicouche flexible IZO/Ag/IZO/Ag développée sur un substrat de polyéthylène téréphtalate à l'aide d'une pulvérisation rouleau à rouleau. Nano. Rés. Lett. 7, 67 (2012).

Article Google Scholar

Jeong, JA, Kim, HK, Koo, HY et Kim, TW Étude par microscopie électronique à transmission de la dégradation dans des films multicouches transparents d'oxyde d'étain d'indium/Ag/oxyde d'étain d'indium. Appl. Phys. Lett. 103, 011902 (2013).

Annonces d'article Google Scholar

Lee, JH, Shin, HS, Noh, YJ, Na, SI & Kim, HK Peinture au pinceau d'électrodes multicouches PEDOT/Ag nanowire/PEDOT transparentes pour cellules solaires organiques flexibles. Sol. Matière énergétique. Sol. Cellules 114, 15 (2013).

Article CAS Google Scholar

Indluru A. & Alford, TL Effet de l'épaisseur d'Ag sur le transport électrique et les propriétés optiques des multicouches d'oxyde d'indium-étain-Ag-indium-oxyde d'étain. J. Appl. Phys. 105, 123528 (2009).

Annonces d'article Google Scholar

Haacke, G. Nouvelle figure de mérite pour les conducteurs transparents. J. Appl. Phys. 47, 4086 (1976).

Article CAS ADS Google Scholar

Tahir, D. & Tougaard, S. Propriétés électroniques et optiques de Cu, CuO et Cu2O étudiées par spectroscopie électronique. J. Phys : Cond. Mat. 24, 175002 (2012).

Annonces Google Scholar

Espinos, JP et al. Effets d'interface pour Cu, CuO et Cu2O Déposé sur SiO2 et ZrO2 Détermination XPS de l'état de valence du cuivre dans les catalyseurs Cu/SiO2 et Cu/ZrO2. J.Phys. Chimie B 106, 6921 (2002).

Article CAS Google Scholar

Balamurugan, B. & Mehta, BR Propriétés optiques et structurelles des couches minces d'oxyde de cuivre nanocristallin préparées par évaporation réactive activée. Films solides minces 396, 90 (2001).

Article CAS ADS Google Scholar

Ogwn, AA et al. L'influence de la puissance rf et du débit d'oxygène lors du dépôt sur la transmission optique de couches minces d'oxyde de cuivre préparées par pulvérisation magnétron réactive. J.Phys. D : Appl. Phys. 38, 266 (2005).

Annonces d'article Google Scholar

Pierson, JF, Thobor-Keck, A. & Billard, A. Films de cuprite paramelaconite et ténorite déposés par pulvérisation magnétron réactive. Appl. Sur. Sci. 210, 359 (2003).

Article CAS ADS Google Scholar

Tsiranovits, CH, Antonopoulos, JG & Stoemenos, J. Sur la croissance des films d'oxyde cuivreux. Thin Solid Films 71, 133 (1980).

Article CAS ADS Google Scholar

Drobny VF & Pulfrey, DL Propriétés des couches minces d'oxyde de cuivre pulvérisées de manière réactive. Thin Solid Films 61, 89 (1979).

Article CAS ADS Google Scholar

Wanger, CDR, Davis, WW, Moulder, JF & Muilenberg, GE Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy, Perkin Elmer Corporation Physical Electronic Division, Minnesota (1979).

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Les auteurs apprécient le soutien financier de la subvention de la National Research Foundation of Korea (NRF) financée par le ministère de l'Éducation, des Sciences et de la Technologie (NRF 2015R1A2A2A01002415) et le soutien partiel de Samsung Displays. LTD.

Département d'ingénierie des matériaux avancés pour l'information et l'électronique, Université Kyung Hee, 1 Seocheon, Yongin, Gyeonggi-do, 446-701, République de Corée

Dong-Ju Kim, Hyo-Joong Kim, Ki-Won Seo et Han-Ki Kim

Samsung Display, OLED R&D Center, Yongin, 446-711, Gyeonggi-do, République de Corée

Ki-Hyun Kim et Tae-Wong Kim

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D.-JK et H.-KK ont conçu l'étude et les expérimentations. D.-JK a fabriqué des films multicouches OCO à l'aide d'une pulvérisation RTR et a fabriqué des panneaux tactiles flexibles. D.-JK, HJK, K.-WS, K.-HK et T.-WK ont effectué des mesures de propriétés électriques, optiques, structurelles et mécaniques. D.-JK et H.-KK ont rédigé le manuscrit. Tous les auteurs ont discuté des résultats et commenté le manuscrit.

Les auteurs déclarent une absence d'intérêts financiers en compétition.

Ce travail est sous licence internationale Creative Commons Attribution 4.0. Les images ou tout autre matériel tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans la ligne de crédit ; si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons, les utilisateurs devront obtenir l'autorisation du titulaire de la licence pour reproduire le matériel. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Réimpressions et autorisations

Kim, DJ., Kim, HJ., Seo, KW. et coll. Électrodes à mailles Cu2O/Cu/Cu2O flexibles, hautement transparentes et sans indium pour écrans tactiles flexibles. Sci Rep 5, 16838 (2015). https://doi.org/10.1038/srep16838

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Reçu : 30 juillet 2015

Accepté : 21 octobre 2015

Publié: 19 novembre 2015

DOI : https://doi.org/10.1038/srep16838

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