RGB カラー用の優れた柔軟な透明導電性電極として最大の性能指数を備えたナノスケール プラズモニック ワイヤ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 11029 (2022) この記事を引用

最新の光電子デバイスにおけるアプリケーションの信じられないほどの増加に基づいて、優れた導電性透明電極 (TCE) 候補を確保する需要が重要かつ緊急になっています。 ただし、透過率とコンダクタンスの両方を同時に高めることには本質的な制限があります。 この研究では、対応するプラズマ周波数​​を下げることによって可視光領域で TCE として機能する銀ナノスケール プラズモニック ワイヤー (Ag NPW) を紹介します。 Ag NPW の幾何学的寸法を慎重に設計することで、赤、緑、青の各色の性能も最適化します。 実証された RGB カラーの性能指数は、シミュレーションではそれぞれ 443.29、459.46、および 133.78、実験では 302.75、344.11、および 348.02 でした。 明らかに、当社の Ag NPW は、インジウムスズ酸化物で構成されることが最も多い従来の TCE よりもはるかに優れた FoM を提供し、フレキシブルで高解像度の光電子デバイスのアプリケーションに対して柔軟性とモアレ効果の低減というさらなる利点を示します。

現在、透明導電性電極 (TCE) は、主に太陽電池 (SC)1、2、3、4、5、6、発光ダイオード (LED)3、7、 8、9、10、11、12、13、14、15、タッチパネル13、16、17、その他。 つまり、TCE は優れた光透過性と導電性を同時に示す必要がありますが、これら 2 つの基本的な物理特性は本質的に互いに矛盾します。 このようなジレンマが生じる理由は、材料内の自由電子が電気を伝導するだけでなく、入射波を遮蔽してしまうためです。 まれではありますが、インジウム錫酸化物 (ITO) などの一部のセラミックは、内部に酸素欠陥があるため、光透過性を維持しながら電気を通すことが研究者らによって発見されました。 このように、ITO は可視光領域で 85% の透過率と 100 Ω/sq18 未満のシート抵抗を同時に約束するため、さまざまなタイプの光電子デバイスで普及しています。 それにもかかわらず、ITO は、材料不足、毒性、脆弱性 17、19、20、21、高い屈折率による低い出力効率 22、23、高温製造手順など、いくつかの固有の制限に悩まされています。 これらの制限は、研究者、特に次世代のフレキシブルで高解像度のディスプレイ パネルの需要を満たすことができる代替手段を探すきっかけとなりました 24、25、26。

これまで、産業界と学界は、カーボン ナノチューブ (CNT)8、19、20、27、28、29、グラフェン 11、19、30、31、金属ワイヤー 2、32 など、ITO に代わる代替品の開発に多大な労力を投資してきました。 、33、34、35、36、37、38。 これらの代替品は、例えば、CNT のランダム配向ネットワーク用の豊富な材料リソースによる高い機械的強度と柔軟性、100 ～ 1000 Ω/sq の適切なシート抵抗、および単一の可視領域での 80% の透過率 29,30 など、独自の利点を示します。層状グラフェン、およびボトムアップエレクトロスピニング32,33またはトップダウンリソグラフィ34,35,38プロセスのいずれかによって製造された金属ワイヤの高い導電性と延性。 残念ながら、これらの方法にはまだ不十分な点がいくつかあります。 まず、CNT 薄膜は ITO と比較して透過率が低く、シート抵抗が高くなります4。 第二に、単層グラフェンのシート抵抗は、太陽光発電および光電子デバイスの実用化には依然として高すぎる。 そこで、一部の研究者は、多層グラフェンによって導電性を高めることを提案しました。 ただし、グラフェン層を追加すると、必然的に透過率が 3% 低下します。 また、大面積の製造プロセスでは多くの粒界と転位が発生し、それに応じて導電率がさらに低下しました。 したがって、金属ワイヤは、次世代 TCE にとって最も有望なソリューションです。

報告されている最先端のミクロンスケールの金属構造は、エレクトロスピニングプロセスで 90% の透過率と 10 Ω/sq40 のシート抵抗を達成し、リソグラフィー手順で 88.6% の透過率と 2.1 Ω/sq40 のシート抵抗を達成しました。 これら 2 つの金属ワイヤは、太陽電池 41 および OLED 42 アプリケーションに統合されています。 それにもかかわらず、OLED ディスプレイのピクセル サイズがサブミクロン スケールに近づくと、これら 2 つの技術は決定的に不十分であるように見えます。 たとえば、複数の接合を備えたワイヤをランダムにエレクトロスピニングすると、透過率とシート抵抗が変動します。 さらに、それらはランダムに分布しているため、高解像度アレイ OLED の用途には適していません。 逆に、マイクロスケールの金属メッシュにはモアレ縞が発生し、拡張現実や仮想現実を含む高解像度光電子デバイスの分野での応用が妨げられます。 上記の問題を解決するために、本研究では、ナノスケール プラズモニック ワイヤー (NPW) と呼ばれる、ナノスケールの周期性を持つ 2 次元プラズモニック ワイヤーを提案しました。 NPW の周期性は回折限界に近づいていますが、依然として優れた透過率と導電率を同時に達成できることに注意してください。 私たちは、提案された NPW の設計を最適化し、その性能指数 (FoM) をさらに最大化し、高解像度 OLED ディスプレイに優れた TCE を実現しました43。