可扩展的溶液法加工嵌入式金属网格高性能柔性透明电极制备策略

本实验的总体目标是采用一种基于溶液的制备工艺，结合光刻、电沉积和压印转移技术，制备出高性能、柔性、透明的导电薄膜，其中包含自锚定、完全嵌入式微米级金属网格。该金属网格可解决未来基于金属网格的柔性电子器件所面临的关键挑战，例如非平面表面形貌、制造通量低以及生产成本高等问题。嵌入式金属网格具有多项优势，包括关键的自平整性、机械稳定性、高耐热应力、与柔性基底之间的强附着力，以及对湿气、氧气和化学物质的良好抗性。

我们的工艺将通过基于溶液的电沉积方法实现金属沉积，该方法简单易行，适合实现高通量、大规模及低成本生产。我们课题组协助Wendy Lee博士课题组，利用自行搭建的电子束光刻系统，对400纳米金属网格的微纳加工工艺进行了尺寸稳定性的测试。接下来，我的助手Xiong Ze将演示电子束光刻图案化工艺。

开始制备EMTE时，使用液体洗涤剂和棉签清洁一块3厘米×3厘米的掺氟氧化锡（FTO）导电玻璃。用去离子水彻底冲洗玻璃基底，并用另一根棉签去除残留的洗涤剂。将FTO玻璃在异丙醇中于40千赫兹条件下超声处理30秒。

然后用压缩空气将洁净的玻璃吹干。接着，将洁净且干燥的 FTO 玻璃放入旋涂仪中，滴加 100 微升正性光刻胶。以 4,000 转/分钟旋涂 60 秒，形成厚度为 1.8 微米的薄膜。

将涂覆的玻璃在100摄氏度下烘烤50秒。用网状掩膜覆盖涂覆的玻璃，并使光刻胶暴露于足够的紫外光下，以达到20毫焦耳每平方厘米的辐射通量。然后，将涂覆的玻璃浸入适当的显影液中50秒，以去除曝光的光刻胶。

用去离子水冲洗样品，并在压缩空气流下干燥。接着，将100毫升的常温铜电镀液加入250毫升烧杯中。将样品浸入电镀液中。

将其连接到双电极电沉积装置的负极。然后，将一根铜金属棒连接到该装置的正极。施加5毫安的恒定电流，电流密度为每平方厘米3毫安，持续15分钟，以在样品上沉积一层1.5微米厚的铜层。

电沉积是制备过程中的关键步骤。电流密度和电镀时间会影响金属网的形貌及其最终性能，应使用您自己的样品进行测试和优化。用电去离子水彻底冲洗电镀后的样品，并用压缩空气流吹干。

将样品浸入丙酮中5分钟，以溶解残留的光刻胶，从而在FTO玻璃表面留下裸露的金属网。用去离子水冲洗样品，并用压缩空气吹干。接着，将样品放置于液压机的压板上，使金属网面朝上。

用厚度为100微米、玻璃化转变温度为78摄氏度的环烯烃共聚物薄膜覆盖样品。将压板加热至100摄氏度，然后对样品施加15毫帕的压印压力，持续5分钟。在释放压印压力前，将压板冷却至40摄氏度。

在压印转移步骤中，压力和温度是两个关键的关注因素。确保压印压力均匀且足够高，以实现完全转移。温度应比基底材料的玻璃化转变温度高出约20摄氏度。

小心地将带有嵌入式网格的聚合物薄膜从 FTO 玻璃表面剥离，以获得 EMTE。开始制备亚微米级 EMTE 时，先用液体洗涤剂和去离子水清洗一块 3 厘米 × 3 厘米的 FTO 玻璃，随后在异丙醇中进行超声处理。将清洁干燥的 FTO 玻璃放入旋涂仪中，滴加 100 微升浓度为 4%（质量分数）的 PMMA 安士妥溶液。

以 2500 RPM 的转速旋涂玻璃 60 秒，形成厚度为 150 纳米的薄膜。在 170 摄氏度下烘烤薄膜 30 分钟，然后启动电子束光刻系统，并使用图形发生器设计网格图案。将样品放入电子束光刻系统中，运行图形化过程。

将PMMA浸入甲基异丙基酮与异丙醇按1:3比例配制的混合溶液中显影60秒。用去离子水冲洗已形成图案的样品，并用压缩空气吹干。随后，将该样品置于铜电镀液中，并将其连接至双电极电沉积装置的负极。

将正极连接到铜金属棒上。施加恒定电流，使电流密度达到每平方厘米三毫安，持续两分钟，以便在样品上沉积200纳米厚的铜层。用去离子水冲洗样品，并将样品浸入丙酮中五分钟，以溶解PMMA。

接下来，将样品置于液压机的压板上。用一层厚度为100微米、玻璃化转变温度为78摄氏度的环烯烃共聚物薄膜覆盖样品。将压板加热至100摄氏度，并施加15毫帕的压印压力，持续5分钟。

在释放压力前，将压板冷却至40摄氏度。小心地从FTO玻璃上剥离薄膜，以获得亚微米级EMTE。开始测量方阻时，首先在EMTE相对的两边涂布银浆，并让银浆干燥。

根据设备制造商的说明，将方阻测量仪的四个探针放置在银浆线条上。测量并记录方阻值。进行光学透过率测量时，首先将EMTE置于经校准的紫外-可见分光光度计的样品架上，并将透射率设置为100%。

将样品与光束垂直对齐。采集 EMTE 的透射光谱以评估其电致透明性。采用不同网格图案制备了铜质 EMTE，以研究网格几何形状对电极性能的影响。

在550纳米处，铜质EMTE的电导率与光导率之比超过1.5×10⁴。较厚的网格对应较低的光学透过率和方块电阻。较大的节距对应较高的方块电阻和透过率。

采用50微米节距的网状结构，用不同金属制备了EMTE，所有样品均显示出平坦且无特征的透射光谱。在网状结构厚度与透射率关系相同的情况下，可通过调节网状结构的几何形状和组成来调控透射率和方块电阻。针对铜制EMTE的方块电阻，评估了其在压缩和拉伸弯曲测试下的性能。

在四毫米和五毫米的压缩弯曲测试中未观察到显著变化。随着拉伸弯曲测试的进行，方阻逐渐增加。在水中、异丙醇中或高温高湿环境下暴露24小时后，未观察到材料降解或方阻变化。

新学生可在数天内掌握该技术。一旦熟练，整个制备过程可在两到三小时内完成，设备即可就绪。该技术为采用可扩展的溶液工艺制备方法来开发新型微纳米结构器件铺平了道路，例如我们所研发的自锚定高长径比微米金属网格，其嵌入于柔性基底中。

许多应用（如触摸面板、位移传感器和太阳能电池）均可受益于我们高性能的嵌入式金属网格透明电极。观看本视频后，您应能充分了解如何利用这种基于溶液的制造工艺来制备金属网格透明电极。感谢观看，我们欢迎合作。