금 나노메쉬 기반의 유연한 투명 전극

결과 및 토론

이론적 모델은 시뮬레이션된 결과와 실험 데이터를 비교하여 검증됩니다. 시뮬레이션 및 실험 데이터를 기반으로 한 550 nm에서의 투과율과 6개의 서로 다른 샘플의 면저항 특성이 그림 3에 나와 있습니다. 조리개 간 와이어 폭이 증가함에 따라 투과율과 면저항이 모두 감소했습니다. 특히, 모의 데이터의 변동 경향은 선형입니다. 측정된 투과율 및 면저항 특성은 시뮬레이션된 특성과 일치하며 이는 NSL 제조 방법이 신뢰할 수 있음을 나타냅니다. 가장 작은 와이어 폭 100 nm에서 최대 투과율 89%, 면저항 104.5 Ω/□로 측정되었으며, 가장 큰 와이어 폭 175 nm에서 투과율 65%, 면저항 16.5 Ω/□로 측정되었다. 기하학적 고려 사항에서 더 높은 투과율은 더 큰 구경, 즉 PS 구의 에칭 시간 감소로 인해 더 작은 와이어 너비에서 파생되어 빛을 차단하는 영역이 감소합니다. 그러나 와이어 폭이 작을수록 전자가 흐르는 전도 경로가 감소하여 시트 저항이 증가합니다.

AuNM의 투과율 및 시트 저항 대 조리개 간 와이어 너비(λ에서 =550 nm 및 두께 =20 nm)

투과율과 면저항은 시뮬레이션된 모델의 완벽한 주기성에 기인한 시뮬레이션 결과에서 개구간 와이어 폭이 증가함에 따라 선형적으로 감소한다는 점에 유의해야 합니다. 이에 반해 실험 결과 투과율 및 면저항 성능은 불가피한 결함과 불순물, 표면 거칠기로 인해 다소 저하되는 현상을 보였다.

투명 전극으로 사용하기 위한 AuNM의 잠재력을 최대화하기 위해서는 일반적으로 높은 투과율과 낮은 시트 저항을 갖는 것이 바람직합니다. 그러나 AuNM의 투과율과 전도율 사이의 적절한 균형을 달성하는 것은 두 가지 속성이 반비례하기 때문에 어려운 과제였습니다. 이 문제를 해결하기 위해 여기에서는 AuNM 두께가 투과율과 시트 저항에 미치는 영향을 이론적으로 분석했습니다. 모든 시뮬레이션은 동일한 550 nm 파장, 160 nm 평균 조리개 간 와이어 너비 및 10~100 nm 두께에서 수행되었습니다. 추가 파일 1:그림 S3은 정전류에서 AuNM의 전위 분포 맵을 보여줍니다. Fig. 4의 초기 단계에서 AuNM 두께의 증가는 면저항의 급격한 감소를 가져오다가 40 nm 두께 이후 서서히 감소한다. Au 금속에서 전자의 평균 자유 경로에 가까운 40 nm 이상의 두꺼운 AuNM은 전도도를 크게 증가시킬 수 없습니다[31]. 한편, 높은 투과율은 오랫동안 유지되다가 서서히 감소합니다. 더 두꺼운 AuNM은 전자가 흐르는 전도 경로를 증가시켜 일정한 구멍과 와이어 폭으로 인해 약간의 투과율 저하와 함께 낮은 시트 저항을 생성합니다.

투과율 및 면저항 대 AuNM 두께(λ에서 =550 nm 및 W5 =160 nm)

Au 금속에서 전자의 평균 자유 경로인 40 nm 이하의 AuNM 두께를 적절하게 증가시켜 이러한 금속 나노 메쉬의 투과율과 전도도를 개선하기 위한 노력이 필요할 수 있습니다.

AuNM의 강력한 특성 중 하나는 우수한 기계적 유연성입니다. 굽힘 상태에서 AuNM의 기계적 유연성을 조사하기 위해 변형률이 시트 저항에 미치는 영향을 조사했습니다. 분석을 용이하게 하기 위해 PET 필름(두께 ~ 500 μm)의 수치 Au 벌크 필름(두께 ~ 20 nm)의 모델 대응물과 동일한 매개변수를 가진 Au 벌크 필름 샘플을 제작했습니다. 삽입은 각각 굽힘 테스트 및 굽힘 시뮬레이션 동안 AuNM 전극의 맵을 보여줍니다. 추가 파일 1:그림 S4는 1.5 × 10 ⁹ 에서 굽힘 시뮬레이션 중 AuNM 전극의 응력 분포 맵을 보여줍니다. N/m ² Y에서 힘 방향으로 응력이 주로 AuNM의 중심에 집중되어 있음을 보여줍니다. Fig. 5에서 보는 바와 같이 굽힘 시험에서 첫째, 최대 개구간 와이어 폭을 갖는 Au 벌크 필름은 1.9% 이상의 변형률에서 시트 저항의 극적인 증가와 최악의 유연성 성능을 나타냈다. 그러나 6개의 AuNM 전극은 스트레치 비율이 2.1%에 도달할 때까지 초기 저항을 유지했습니다. 동시에, AuNM 전극이 완전히 파괴되어 AuNM 전극이 점차적으로 전기적 고장을 일으키며, 개구간 와이어 폭이 감소함에 따라 AuNM 전극이 점차적으로 전기적 장애를 겪습니다.

변형 수준 대 R /R ₀ AuNM 전극 및 Au 벌크 필름용(R /R ₀ , 여기서 R ₀ 는 변형률이 0일 때의 초기 저항입니다). 삽입은 각각 굽힘 테스트 및 굽힘 시뮬레이션 동안 AuNM 전극의 맵을 보여줍니다.

Au 벌크 필름보다 높은 허용오차를 나타내는 메쉬 구조의 AuNM 전극을 찾는 것은 어렵지 않으며, 작은 개구간 와이어 폭을 가진 AuNM 전극이 더 나은 유연한 성능을 나타냅니다. 샘플에 가해진 힘은 AuNM의 파손 없이 평면 내 회전과 주기적인 나노메쉬의 왜곡에 의해 수용될 수 있는 인장 변형을 일으킬 것입니다[32]. 그러나 Au 벌크 필름은 적용된 인장 변형을 수용할 수 없으므로 인장 변형의 임계점에서 파손 및 전기적 고장이 발생합니다.

시뮬레이션 결과는 시뮬레이션 결과(1.2에 근접)에서 인장 변형의 임계점이 실험 결과보다 낮은 것을 제외하고는 실험 결과와 잘 일치함을 보여줍니다. 이는 수 제곱 센티미터 크기의 제작된 샘플이 수 제곱 미크론 크기의 시뮬레이션 모델보다 더 많은 인장 변형을 수용할 수 있기 때문입니다.

또한, 전극 안정성을 평가하기 위해 굽힘 시험이 진행됨에 따라 AuNM 전극의 면저항 값을 측정하였다. PET 필름의 AuNM 전극은 그림 6과 같이 최소 곡률 반경 5mm, 최대 15mm에서 최대 400 싸이클까지 구부러져 양호한 유연성 안정성을 보였다.

AuNM의 기계적 굽힘 시험에서 시트 저항 대 굽힘 사이클(W5 =160 nm 및 두께 =20 nm에서)

결론

결론적으로, 현재 결과는 유연한 투명 AuNM 전극이 다목적 NSL 기술을 사용하여 합성될 수 있음을 보여줍니다. 생성된 육각형의 균일하고 주기적인 나노구조를 갖는 AuNM 전극은 우수한 투과율 및 시트 저항을 나타내었다. 시뮬레이션된 결과는 NSL 제작 방법이 신뢰할 수 있음을 나타내는 실험 결과와 잘 일치함을 보여줍니다. AuNM의 투과율과 전도도 사이의 적절한 균형은 Au 금속에서 전자의 평균 자유 경로인 AuNM 두께를 40 nm 이하로 적절하게 증가시킴으로써 달성될 수 있습니다. 유연성 조사에서 메쉬 구조의 AuNM 전극은 Au 벌크 필름보다 높은 허용 오차를 나타내며, 조리개 간 와이어 너비가 작은 AuNM 전극은 조리개 간 와이어 너비가 큰 전극보다 더 많은 인장 변형을 수용할 수 있습니다. 기계적 굽힘 시험은 AuNM의 우수한 유연성 안정성을 보여줍니다. 높은 투과율, 낮은 면저항 및 우수한 유연성을 가진 준비된 AuNM 전극은 바이오센서 및 광전자 소자를 포함한 유연한 전자 장치의 응용 분야에 광범위하게 활용되는 차세대 대규모 유연한 투명 AuNM 전극에 대한 유망한 접근 방식을 확립했습니다.