北京時間07月08日消息，中國觸摸屏網訊，Nature液態金屬印刷柔性電子在透明顯示器應用的前景

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透明導電氧化物（TCO）由于其獨特的電子帶結構而具有很高的應用價值，這使得它們具有高導電性和透明性。當前，TCO廣泛應用于液晶顯示器、有機發光二極管（LED）、觸摸感應屏中的透明電極、光電器件、太陽能電池、電致變色窗口等領域。其中，氧化銦錫是已在工業上使用了幾十年的主要TCO，但是它通常是使用基于真空的物理氣相沉積技術來制備的，該技術依賴于真空技術和批處理，成本很高且產物薄膜易碎。

近期發表在Nature Electronics雜志上題為“Flexible two-dimensional indium tin oxide fabricated using a liquid metal printing technique”的文章，來自皇家墨爾本理工大學的DornaEsrafilzadeh團隊。

在這里，DornaEsrafilzadeh團隊報道了使用低溫印刷技術以晶圓級規模制造厚度僅為幾個原子的ITO薄板的過程，基于該方法分別使用單次或兩次印刷獲得的單層和雙層ITO。通過將陶瓷材料的厚度減小到只有幾個原子，大大提高了材料的柔韌性，從而使其能夠克服ITO的現有限制之一，即ITO在彎曲時會變脆。已開發的二維ITO片具有高導電性和柔韌性，同時吸收的可見光比單層和雙層石墨烯少5-10倍。



圖1 二維ITO印刷工藝的原理圖和LED演

在該研究中，Dorna Esrafilzadeh團隊工藝使用可用于液態金屬印刷工藝的低熔點銦錫合金，在晶圓級上沉積2D ITO。近年來，液態金屬已被引入作為反應介質，以促進大面積二維氧化物的形成。低熔點的后過渡金屬在空氣中經歷自限性Cabrera-Mott氧化，容易形成納米薄表面氧化物。當金屬處于液態時，表面氧化物對母體金屬的附著力最小，從而允許使用范德華轉移技術將生長的氧化物片轉移到所需的基材上。基于這一原理，將一小滴液態金屬滴到所需的基底上，然后從頂部擠壓第二個基底，從而實現將液滴散布到整個所需區域（如圖1所示）。并且，Dorna Esrafilzadeh團隊研究了許多具有不同錫含量的不同合金成分，并使用四點探針測量法確定了薄層電阻。觀察到沉積膜的薄層電阻首先隨著錫含量的增加而降低，然后在錫濃度超過5％之后又增加了薄層電阻（圖2a）。X射線樣品的X射線光電子能譜（XPS）分析表明，氧化物中的錫濃度比母合金中的錫濃度稍高，對于薄層電阻最低的氧化物，錫的Sn4 +濃度達到7.4％。


圖2 二維ITO納米片的材料表征


為了評估通過重復印刷降低薄層電阻的可能性，使用最優化的合金成分，在先前沉積的2D ITO薄片的頂部印刷第二層ITO的第二層。這些雙層樣品的薄層電阻降低至5.4kΩ-1，這明顯低于單層的薄層電阻（69.6kΩ-1），同時在可見光譜范圍內保持99.3％的透明度。如所預期的，雙層的組成類似于單層的組成。雙層的薄層電阻可與設計用于顯示器和觸摸屏的市售TCO相媲美，而光吸收則少10倍以上。



圖3 二維ITO片的形態和晶體表征


由于液態合金的低熔點，沉積過程與諸PI的耐高溫聚合物相容。Dorna Esrafilzadeh團隊制造了兩端電阻器件，并對其進行了反復的機械彎曲，使其半徑分別為3、2.5和2.0mm（圖4）。將每個半徑的總共1,000個彎曲循環應用于設備，并對2D ITO板進行總共3,000個機械彎曲循環。令人放心的是，經過3,000次循環后，ITO層的電阻增加了不足3.5％。為了進行比較，對聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）樣品上的市售ITO進行了相同的測試。小的曲率半徑和強大的電子性能表明，開發的2D ITO片有望在柔性光電設備中應用，并有望與卷對卷處理兼容。



圖4 印在PI基材上的2D ITO柔性的表征


使用兩厘米大小的印刷單層ITO片開發了原型透明電容式觸摸屏，該ITO片沉積在單個玻璃基板的兩側（如圖5所示）。四個金電極以正方形排列沉積在觸摸屏的正面，而單個電極固定在背面。然后，使用物理粘附到表面的PET薄膜保護設備的整個正面。PET膜既充當保護涂層又充當絕緣體。當手指或金屬針等導電物體靠近設備的正面時，設備的電容會發生變化，從而可以有效地進行觸摸檢測。在此，電容變化的大小取決于觸摸位置與前電極的距離。然后，通過測量觀察到的所有四個電極的電容變化，可以對位置進行三角測量，從而實現具有x–y分辨率的觸摸檢測。


 

 

圖5 二維ITO在電容式觸摸屏中的應用

基于液態金屬氧化沉積得到的片材厚度約為1.5 nm，使ITO具有高度的柔韌性，并經過1000次彎曲至2 mm半徑的循環后，導電性損失最小。這一制造方法為光電子設備的未來卷式制造和基于ITO的柔性電子設計提供了希望。此外，重復打印將導致2D ITO雙層，其薄層電阻為5.4kΩ-1，透明度為99.3％，完全可與用于顯示器和觸摸屏行業的商用TCO基板相媲美，而可見光譜中的光損耗則低了一個數量級。

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