Наноразмерные плазмонные провода с максимальными достоинствами в качестве превосходного гибкого прозрачного проводящего электрода для цветов RGB.

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 11029 (2022) Цитировать эту статью

Учитывая невероятно растущее количество применений в современных оптоэлектронных устройствах, потребность в обеспечении превосходного кандидата на проводящий прозрачный электрод (TCE) становится важной и актуальной. Однако одновременное повышение пропускания и проводимости является внутренним ограничением. В этой работе мы представляем серебряные наноразмерные плазмонные проволоки (Ag NPW), которые функционируют как ТВК в области видимого света за счет снижения соответствующих плазменных частот. Тщательно проектируя геометрические размеры Ag NPW, мы также оптимизируем характеристики красного, зеленого и синего цветов соответственно. Продемонстрированный показатель качества цветов RGB составил соответственно 443,29, 459,46 и 133,78 в моделировании и 302,75, 344,11 и 348,02 в экспериментах. Очевидно, что наши Ag NPW предлагают гораздо более высокие FoM, чем обычные ТВК, которые чаще всего состоят из оксида индия и олова, и демонстрируют дополнительные преимущества гибкости и меньшего эффекта муара для применения в гибких оптоэлектронных устройствах с высоким разрешением.

В настоящее время прозрачные проводящие электроды (ППЭ) повсеместно присутствуют в нашей повседневной жизни, главным образом из-за их ключевого применения в солнечных элементах (СЭ)1,2,3,4,5,6, светоизлучающих диодах (СИД)3,7, 8,9,10,11,12,13,14,15, сенсорные панели13,16,17 и другие. А именно, ТВК должны одновременно демонстрировать высокую оптическую прозрачность и электропроводность, но эти два фундаментальных физических свойства по своей сути противоречат друг другу. Причина такой дилеммы в том, что свободные электроны в материалах не только проводят электричество, но и экранируют падающие волны. Хотя это и редкость, исследователи обнаружили, что некоторые керамики, такие как оксиды индия и олова (ITO), проводят электричество, сохраняя при этом оптическую прозрачность из-за дефектов кислорода внутри. Таким образом, ITO преобладает в различных типах оптоэлектронных устройств, поскольку он обещает одновременный коэффициент пропускания 85% в режиме видимого света и поверхностное сопротивление ниже 100 Ом/кв18. Тем не менее, ITO страдает от нескольких присущих ему ограничений, включая нехватку материала, токсичность, хрупкость17,19,20,21, низкую выходную эффективность из-за более высокого показателя преломления22,23 и высокотемпературную процедуру изготовления. Эти ограничения стали для исследователей стимулом к ​​поиску альтернатив, особенно для тех, кто мог бы удовлетворить требования к следующему поколению гибких панелей дисплея с высоким разрешением24,25,26.

До сих пор промышленность и научные круги вложили много усилий в разработку альтернативы ITO, включая углеродные нанотрубки (УНТ)8,19,20,27,28,29, графен11,19,30,31 и металлические проволоки2,32. ,33,34,35,36,37,38. Эти альтернативы показывают свои преимущества, например, высокую механическую прочность и гибкость при наличии богатых материальных ресурсов для случайно ориентированных сетей УНТ8,20, приличное поверхностное сопротивление 100–1000 Ом/кв. и коэффициент пропускания 80% в видимом режиме29,30 для одиночных слоистый графен, а также высокая проводимость и пластичность металлических проводов, изготовленных либо электропрядением снизу вверх32,33, либо литографией сверху вниз34,35,38. К сожалению, среди этих методов все еще обнаруживаются некоторые недостатки. Во-первых, тонкие пленки УНТ демонстрируют меньший коэффициент пропускания и более высокое поверхностное сопротивление по сравнению с ITO4. Во-вторых, поверхностное сопротивление однослойного графена остается слишком высоким для практического применения фотоэлектрических и оптоэлектронных устройств; Так, некоторые исследователи предложили повысить их проводимость за счет многослойного графена. Однако добавление слоя графена неизбежно снизит коэффициент пропускания на 3%. Кроме того, в процессе изготовления большой площади образовалось множество границ зерен и дислокаций, что соответственно еще больше снизило их проводимость. Следовательно, металлические провода являются наиболее перспективным решением для ТВК следующего поколения.

Сообщаемые о современных металлических структурах микронного размера достигли коэффициента пропускания 90% и сопротивления листа 10 Ом/кв. для процесса электропрядения39, а также коэффициента пропускания 88,6% и сопротивления листа 2,1 Ом/кв.40 для литографической процедуры. Эти два металлических провода затем были интегрированы в солнечные элементы41 и OLED42. Тем не менее, как только размер пикселей OLED-дисплеев приближается к субмикронным масштабам, эти два метода оказываются критически недостаточными. Например, беспорядочное электропрядение проводов с несколькими соединениями приводит к колебаниям коэффициента пропускания и поверхностного сопротивления; более того, их случайное распределение делает их непригодными для применения в массивных органических светодиодах высокого разрешения. И наоборот, микромасштабные металлические сетки страдают от муаровых полос, что затрудняет их применение в области оптоэлектронных устройств высокого разрешения, включая дополненную реальность и виртуальную реальность. Для решения вышеупомянутых проблем в данной работе мы предложили двумерные плазмонные проволоки с наноразмерной периодичностью, называемые наноразмерными плазмонными проволоками (НПВ). Обратите внимание, что хотя периодичность NPW приближается к дифракционному пределу, мы все же можем одновременно достичь больших коэффициентов пропускания и проводимости. Мы оптимизировали конструкцию предлагаемых NPW, дополнительно максимизируя их показатели качества (FoM), представляя превосходный TCE для OLED-дисплеев высокого разрешения43.