《Small Methods》：采用光子燒結后處理的銀網格/高導電聚合物的大面積噴墨印刷柔性混合電極（IF=12.496）

發布日期：2024-05-11瀏覽次數：1076

背景：

印刷有機電子領域不僅使柔性器件觸手可及，而且使生產過程朝著高吞吐量的工業規模發展。目前的研究涉及噴墨打印由高導電性有機層（PEDOT：PSS）作為主電極和無機銀納米顆粒基網格/薄膜作為輔助電極組成的無銦錫氧化的大面積柔性雜化電極。目前印刷電子產品卷對卷生產的瓶頸是導電油墨干燥和燒結所需的時間。閃燈燒結在＜20ms內，將納米銀導電油墨燒結到77.6mΩ□^-1的方塊電阻，這是最快的燒結方式且不傷害基材。柔性有機發光二極管具有較大的有效面積（500mm²）以證明柔性混合電極的有效性和有機發光二極管優異的彎曲穩定性（4mm彎曲半徑）。在3.1V的低導通電壓下，可實現小面積的（16mm²）的柔性有機發光二極管具備最大的電流效率19.58cdA^-1和最大的發光亮度8708cdm^-2。這種方法有望減少銦的消耗，并為創造用于大面積柔性印刷電子產品的新型高通量混合電極鋪平道路。

文獻介紹：

對于太陽能電池、有機發光二極管(OLED)、薄膜晶體管(TFT)或顯示器等高性能大面積光電器件，低電阻電極至關重要。為了降低構建OLED等柔性光電子器件的高成本，需要可彎曲且與卷對卷生產兼容的大面積導電電極。由于固有的薄層電阻，基于氧化銦錫(ITO)的器件尺寸有限，通常只有幾厘米。柔性設備無法利用ITO固有的脆性以及高溫沉積帶來的與塑料基板的不相容性。ITO電極、有機材料和金屬有一些替代品，它們具有出色的機械性能，使得在塑料基板上創建柔性顯示器成為可能。快速、高通量的基于解決方案的技術，例如卷對卷印刷、絲網印刷、噴涂和噴墨印刷（IJP），用于沉積金屬/有機薄膜。然而，與其他印刷技術相比，IJP在每個階段的材料損失率都非常低。我們早期的工作證明，由于我們為與IJP工藝兼容的磷光發射體設計的墨水，可以通過直接IJP進行大面積圖案化，而無需光刻。

最近，研究人員測試了具有金屬網格、聚合物復合電極、銀納米線、碳納米管和石墨烯的高導電（HC）聚合物薄膜。IJP金屬網格/高導電(HC)聚合物組合是最通用且最具成本效益的選擇。作為一種按需噴墨技術，它可以繞過掩模和基板圖案化步驟。金屬網格/HC聚合物已被探索在實際器件中的應用，尤其是對于活性面積相對較小的器件。同時，還沒有關于大面積柔性OLED的報道，因為使用IJP技術很難在大面積上沉積均質材料。

直接印刷的納米銀導電油墨作為電極，在高溫固化之前性能較差。為了提高這些導電油墨的電導率，必須對它們進行長時間的熱處理，以干燥和燒結涂層油墨，以獲得適合電極應用的電導率范圍。由于柔性基材對熱的脆弱性增加，例如聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)基材只能分別承受120和140℃，因此柔性基材上的金屬薄膜的后處理變得具有挑戰性高性能。為了以可承受的價格以卷對卷方式大規模生產塑料電子產品，快速加工方法至關重要。光子燒結可提供快速低溫交替退火，且不會損壞聚合物基材。與激光、微波或等離子燒結不同，我們可以在幾毫秒內施加高能光脈沖。很少有研究人員將光子燒結用于不同的應用。Markus和Krebs利用柔版印刷兩種不同的銀(Ag)納米粒子(NP)油墨（PFI-722和AgNP），進行光子燒結，并實現了20.3–40.6μΩcm的最低薄層電阻。薩卡等人使用導電銀納米顆粒墨水(UTDAgIJ)進行TFT制造，并使用IJP和氙燈進行光子燒結；他們達到了234.05±8μΩcm的最低電阻率。噴墨工藝已在文獻中用于制造銀膜，所得設備尺寸僅限于幾毫米。尚未有關于大面積噴墨生產的銀納米顆粒薄膜用于OLED的記錄。我們首次展示了銀納米粒子墨水在大面積（>100*100mm2）柔性PET基材上的IJP。此外，我們已經證明，工業規模的光子燒結設備可用于控制施加的電壓和脈沖持續時間，以最小化薄層電阻并制造均勻的大面積印刷銀膜，而不會對基材造成任何損害。

本研究介紹了一種用于大面積柔性OLED的無ITO混合陽極，其結構簡單，具有IJP銀納米粒子網格/HC聚合物電極。首先，我們優化了IJP控制參數，以沉積光滑的銀納米顆粒薄膜/網格，并精確控制厚度，范圍從幾百納米到微米范圍。然后，我們建立了閃速燒結作為一種退火方法來獲得金屬銀，以克服柔性基板的其他退火技術的局限性。這項初步研究表明，銀納米顆粒導電油墨可以使用閃速燒結進行干燥，以在＜20毫秒內達到文獻報道的最低薄層電阻值 (77.6 mΩ □?1)，而不損壞柔性基材。其次，通過調節IJP參數獲得使用聚(3,4乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT: PSS) (P JET 700)的無咖啡環效應HC聚合物薄膜作為透明主電極。完整器件制造的示意圖如方案1所示。最后，我們將這些混合電極薄膜納入底部發射OLED結構中。我們已經實現了與標準ITO薄膜相當的發光和電流效率值。

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