Fili plasmonici su nanoscala con la massima cifra di merito come elettrodo conduttore trasparente flessibile superiore per i colori RGB

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 11029 (2022) Citare questo articolo

Considerando l’incredibile aumento delle applicazioni nei moderni dispositivi optoelettronici, la richiesta di garantire un candidato per un elettrodo conduttivo trasparente (TCE) di qualità superiore diventa significativa e urgente. Tuttavia, aumentare contemporaneamente sia la trasmittanza che la conduttanza è una limitazione intrinseca. In questo lavoro, presentiamo fili plasmonici su scala nanometrica d'argento (NPW di Ag) per funzionare come TCE nella regione della luce visibile abbassando le corrispondenti frequenze del plasma. Progettando attentamente le dimensioni geometriche delle NPW Ag, ottimizziamo anche le prestazioni rispettivamente per i colori rosso, verde e blu. La cifra di merito dimostrata per i colori RGB è apparsa rispettivamente 443,29, 459,46 e 133,78 nella simulazione e 302,75, 344,11 e 348,02 negli esperimenti. Evidentemente, i nostri NPW Ag offrono FoM molto maggiori rispetto ai TCE convenzionali che sono più frequentemente costituiti da ossido di indio-stagno e mostrano ulteriori vantaggi di flessibilità e un minore effetto Moiré per le applicazioni di dispositivi optoelettronici flessibili e ad alta risoluzione.

Attualmente, gli elettrodi conduttori trasparenti (TCE) sono onnipresenti nella nostra vita quotidiana, principalmente a causa delle loro applicazioni chiave nelle celle solari (SC)1,2,3,4,5,6, nei diodi emettitori di luce (LED)3,7, 8,9,10,11,12,13,14,15, pannelli touch13,16,17 e altri. I TCE, in particolare, dovrebbero mostrare contemporaneamente una grande trasparenza ottica e una conduttività elettrica, ma queste due proprietà fisiche fondamentali si contraddicono a vicenda. La ragione di questo dilemma è che gli elettroni liberi nei materiali non solo conducono elettricità ma schermano anche le onde incidenti. Sebbene rari, i ricercatori hanno scoperto che alcune ceramiche come gli ossidi di indio-stagno (ITO) conducono elettricità pur mantenendo la trasparenza ottica a causa dei difetti di ossigeno all’interno. Pertanto, l'ITO prevale in vari tipi di dispositivi optoelettronici perché promette una trasmittanza simultanea dell'85% a regime di luce visibile e una resistenza del foglio inferiore a 100 Ω/sq18. Tuttavia, l'ITO soffre di numerose limitazioni intrinseche, tra cui la scarsità di materiale, la tossicità, la frangibilità17,19,20,21, la bassa efficienza di rendimento dovuta al suo indice di rifrazione più elevato22,23 e la procedura di fabbricazione ad alta temperatura. Queste limitazioni hanno spinto i ricercatori a cercare alternative, soprattutto per coloro che potrebbero soddisfare le richieste della prossima generazione di pannelli di visualizzazione flessibili e ad alta risoluzione24,25,26.

Fino ad ora, le industrie e il mondo accademico hanno investito molti sforzi nello sviluppo di un'alternativa per sostituire gli ITO, compresi i nanotubi di carbonio (CNT)8,19,20,27,28,29, il grafene11,19,30,31 e i fili metallici2,32 ,33,34,35,36,37,38. Queste alternative mostrano i propri vantaggi, ad esempio, elevate resistenze meccaniche e flessibilità con abbondanti risorse materiali per reti di CNT orientate in modo casuale8,20, discreta resistenza del foglio di 100–1000 Ω/sq e trasmittanza dell'80% a regime visibile29,30 per single- grafene stratificato e alta conduttività e duttilità per i fili metallici fabbricati mediante processi di elettrofilatura bottom-up32,33 o litografici top-down34,35,38. Sfortunatamente, tra questi metodi si riscontrano ancora numerose insufficienze. Innanzitutto, i film sottili di CNT mostrano una trasmittanza inferiore e una resistenza del foglio più elevata rispetto agli ITO4. In secondo luogo, la resistenza del foglio di grafene a strato singolo rimane troppo elevata per le applicazioni pratiche di dispositivi fotovoltaici e optoelettronici; quindi, alcuni ricercatori hanno proposto di migliorare la loro conduttività attraverso il grafene multistrato. Tuttavia, l’aggiunta di uno strato di grafene ridurrebbe inevitabilmente la trasmittanza del 3%. Inoltre, molti bordi e dislocazioni dei grani sono stati sviluppati durante un processo di fabbricazione su vasta area, riducendo così ulteriormente la loro conduttività. Pertanto, i fili metallici rappresentano la soluzione più promettente per i TCE di prossima generazione.

Le strutture metalliche all'avanguardia riportate su scala micron hanno raggiunto il 90% di trasmittanza e una resistenza del foglio di 10 Ω/sq per il processo di elettrofilatura39, e l'88,6% di trasmittanza e una resistenza del foglio di 2,1 Ω/sq40 per la procedura litografica. Questi due fili metallici sono stati poi integrati nelle applicazioni di celle solari41 e OLED42. Tuttavia, una volta che la dimensione dei pixel dei display OLED si avvicina alla scala submicronica, queste due tecniche appaiono inadeguate. Ad esempio, l'elettrofilatura casuale di fili con giunzioni multiple porta a fluttuazioni della trasmittanza e della resistenza del foglio; inoltre, la loro distribuzione casuale li rende non adatti all'applicazione di array OLED ad alta risoluzione. Al contrario, le reti metalliche su scala microscopica soffrono di frange Moiré, che ostacolano le loro applicazioni nel campo dei dispositivi optoelettronici ad alta risoluzione, tra cui la realtà aumentata e la realtà virtuale. Per risolvere i problemi sopra menzionati, in questo lavoro, abbiamo proposto fili plasmonici bidimensionali con periodicità su scala nanometrica, definiti fili plasmonici su scala nanometrica (NPW). Si noti che sebbene la periodicità delle NPW si avvicini al limite di diffrazione, possiamo comunque ottenere contemporaneamente una grande trasmittanza e conduttività. Abbiamo ottimizzato il design delle NPW proposte, massimizzando ulteriormente la loro figura di merito (FoM), presentando un TCE superiore per i display OLED ad alta risoluzione43.