Fils plasmoniques à l'échelle nanométrique avec un nombre maximal de mérites en tant qu'électrode conductrice transparente flexible supérieure pour les couleurs RVB

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 11029 (2022) Citer cet article

Sur la base des applications incroyablement croissantes dans les dispositifs optoélectroniques modernes, la demande pour obtenir un candidat d'électrode transparente conductrice (TCE) de qualité supérieure devient importante et urgente. Cependant, augmenter simultanément la transmission et la conductance constitue une limitation intrinsèque. Dans ce travail, nous présentons des fils plasmoniques à l'échelle nanométrique d'argent (Ag NPW) pour fonctionner comme des TCE dans la région de la lumière visible en abaissant leurs fréquences de plasma correspondantes. En concevant soigneusement les dimensions géométriques des Ag NPW, nous optimisons également les performances pour les couleurs rouge, verte et bleue, respectivement. Le facteur de mérite démontré pour les couleurs RVB est apparu respectivement 443,29, 459,46 et 133,78 en simulation et 302,75, 344,11 et 348,02 en expérimentation. De toute évidence, nos Ag NPW offrent des FoM bien plus importants que les TCE conventionnels qui sont le plus souvent constitués d'oxyde d'étain et d'indium et présentent d'autres avantages de flexibilité et moins d'effet moiré pour les applications de dispositifs optoélectroniques flexibles et à haute résolution.

Actuellement, les électrodes conductrices transparentes (TCE) sont omniprésentes dans notre vie quotidienne, principalement en raison de leurs applications essentielles dans les cellules solaires (SC)1,2,3,4,5,6, les diodes électroluminescentes (DEL)3,7, 8,9,10,11,12,13,14,15, écrans tactiles13,16,17 et autres. Les TCE, en particulier, devraient présenter simultanément une grande transparence optique et une grande conductivité électrique, mais ces deux propriétés physiques fondamentales se contredisent intrinsèquement. La raison de ce dilemme est que les électrons libres présents dans les matériaux conduisent non seulement l’électricité, mais filtrent également les ondes incidentes. Bien que rares, les chercheurs ont découvert que certaines céramiques telles que les oxydes d’indium et d’étain (ITO) conduisent l’électricité tout en conservant leur transparence optique en raison de leurs défauts d’oxygène à l’intérieur. Ainsi, l'ITO prévaut dans divers types de dispositifs optoélectroniques car il promet une transmission simultanée de 85 % en régime de lumière visible et une résistance de feuille inférieure à 100 Ω/sq18. Néanmoins, l’ITO souffre de plusieurs limitations inhérentes, notamment la rareté des matériaux, la toxicité, la frangibilité17,19,20,21, un faible rendement de production en raison de son indice de réfraction plus élevé22,23 et une procédure de fabrication à haute température. Ces limitations ont incité les chercheurs à rechercher des alternatives, en particulier pour ceux qui pouvaient répondre à la demande de la prochaine génération de panneaux d'affichage flexibles et haute résolution24,25,26.

Jusqu'à présent, les industries et les universités ont investi beaucoup d'efforts dans le développement d'une alternative pour remplacer les ITO, notamment les nanotubes de carbone (CNT)8,19,20,27,28,29, le graphène11,19,30,31 et les fils métalliques2,32. ,33,34,35,36,37,38. Ces alternatives présentent leurs propres avantages, par exemple une résistance mécanique élevée et une flexibilité avec des ressources matérielles abondantes pour les réseaux de NTC orientés de manière aléatoire8,20, une résistance de feuille décente de 100 à 1 000 Ω/carré et une transmission de 80 % en régime visible29,30 pour les du graphène en couches, ainsi qu'une conductivité et une ductilité élevées pour les fils métalliques fabriqués par des processus d'électrofilage ascendant32,33 ou de lithographie descendante34,35,38. Malheureusement, plusieurs insuffisances apparaissent encore parmi ces méthodes. Premièrement, les films minces de CNT présentent une transmission plus faible et une résistance de feuille plus élevée que les ITO4. Deuxièmement, la résistance en feuille du graphène monocouche reste trop élevée pour les applications pratiques des dispositifs photovoltaïques et optoélectroniques ; ainsi, certains chercheurs ont proposé d'améliorer leur conductivité grâce au graphène multicouche. Cependant, l’ajout d’une couche de graphène réduirait inévitablement la transmission de 3 %. En outre, de nombreuses limites de grains et dislocations ont été développées dans le cadre d'un processus de fabrication sur une grande surface, réduisant ainsi davantage leur conductivité. Les fils métalliques constituent donc la solution la plus prometteuse pour les TCE de nouvelle génération.

Les structures métalliques de pointe à l'échelle micronique rapportées ont atteint une transmission de 90 % et une résistance de feuille de 10 Ω/m² pour le processus d'électrofilage39, et une transmission de 88,6 % et une résistance de feuille de 2,1 Ω/m²40 pour la procédure lithographique. Ces deux fils métalliques ont ensuite été intégrés dans des applications de cellules solaires41 et OLED42. Néanmoins, une fois que la taille des pixels des écrans OLED approche l’échelle submicronique, ces deux techniques apparaissent comme des insuffisances critiques. Par exemple, des fils électrofilés de manière aléatoire avec de multiples jonctions entraînent des fluctuations de la transmission et de la résistance de la feuille ; de plus, leur distribution aléatoire les rend impropres à l’application d’OLED matricielles haute résolution. À l’inverse, les maillages métalliques à l’échelle microscopique souffrent de franges de Moiré, ce qui entrave leurs applications dans le domaine des dispositifs optoélectroniques à haute résolution, notamment la réalité augmentée et la réalité virtuelle. Pour résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus, dans ce travail, nous avons proposé des fils plasmoniques bidimensionnels avec une périodicité à l'échelle nanométrique, appelés fils plasmoniques à l'échelle nanométrique (NPW). Notez que même si la périodicité des NPW se rapproche de la limite de diffraction, nous pouvons toujours atteindre simultanément une transmission et une conductivité élevées. Nous avons optimisé la conception des NPW proposés, maximisant davantage leur facteur de mérite (FoM), présentant un TCE supérieur pour les écrans OLED haute résolution43.