Fios plasmônicos em nanoescala com valor máximo de mérito como eletrodo condutor transparente flexível superior para cores RGB

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 11029 (2022) Citar este artigo

Com base em aplicações incrivelmente crescentes em dispositivos optoeletrônicos modernos, a demanda por garantir um candidato a eletrodo transparente condutor (TCE) superior torna-se significativa e urgente. No entanto, aumentar simultaneamente a transmitância e a condutância é uma limitação intrínseca. Neste trabalho, apresentamos fios plasmônicos de prata em nanoescala (Ag NPWs) para funcionar como TCEs na região da luz visível, diminuindo suas frequências plasmáticas correspondentes. Ao projetar cuidadosamente as dimensões geométricas dos Ag NPWs, também otimizamos o desempenho para as cores vermelho, verde e azul, respectivamente. O valor de mérito demonstrado para cores RGB apareceu respectivamente 443,29, 459,46 e 133,78 em simulação e 302,75, 344,11 e 348,02 em experimentos. Evidentemente, nossos Ag NPWs oferecem FoMs muito maiores além dos TCEs convencionais que são mais frequentemente compostos de óxido de índio e estanho e mostram vantagens adicionais de flexibilidade e menos efeito moiré para as aplicações de dispositivos optoeletrônicos flexíveis e de alta resolução.

Atualmente, eletrodos condutores transparentes (TCEs) são onipresentes em nosso dia a dia, principalmente devido às suas aplicações essenciais em células solares (SCs)1,2,3,4,5,6, diodos emissores de luz (LEDs)3,7, 8,9,10,11,12,13,14,15, painéis de toque13,16,17 e outros. Os TCEs, nomeadamente, deveriam exibir grande transparência óptica e condutividade eléctrica simultaneamente, mas estas duas propriedades físicas fundamentais contradizem-se intrinsecamente. A razão para tal dilema é que os elétrons livres nos materiais não apenas conduzem eletricidade, mas também protegem as ondas incidentes. Embora raros, os pesquisadores descobriram que algumas cerâmicas, como os óxidos de índio e estanho (ITOs), conduzem eletricidade enquanto mantêm a transparência óptica devido aos seus defeitos de oxigênio em seu interior. Assim, o ITO prevalece em vários tipos de dispositivos optoeletrônicos porque promete transmitância simultânea de 85% no regime de luz visível e uma resistência de folha inferior a 100 Ω/sq18. No entanto, o ITO sofre de várias limitações inerentes, incluindo escassez de material, toxicidade, frangibilidade, baixa eficiência de produção devido ao seu maior índice de refração e procedimento de fabricação em alta temperatura. Essas limitações tornaram-se um gatilho para que os pesquisadores buscassem alternativas, principalmente aquelas que pudessem atender às demandas da próxima geração de painéis display flexíveis e de alta resolução24,25,26.

Até agora, as indústrias e a academia têm investido muito esforço no desenvolvimento de uma alternativa para substituir os ITOs, incluindo nanotubos de carbono (CNTs)8,19,20,27,28,29, grafeno11,19,30,31 e fios metálicos2,32 ,33,34,35,36,37,38. Essas alternativas mostram suas próprias vantagens, por exemplo, altas resistências mecânicas e flexibilidade com recursos materiais abundantes para redes de CNTs orientadas aleatoriamente8,20, resistência de folha decente de 100–1000 Ω/sq e 80% de transmitância em regime visível29,30 para single- grafeno em camadas e alta condutividade e ductilidade para os fios metálicos fabricados por processos de eletrofiação bottom-up32,33 ou litográficos top-down34,35,38. Infelizmente, ainda aparecem diversas insuficiências entre estes métodos. Primeiro, os filmes finos de CNT apresentam menor transmitância e maior resistência da folha quando comparados aos ITOs4. Em segundo lugar, a resistência da folha de grafeno de camada única permanece demasiado elevada para aplicações práticas de dispositivos fotovoltaicos e optoelectrónicos; então, alguns pesquisadores propuseram aumentar sua condutividade através do grafeno multicamadas. No entanto, adicionar uma camada de grafeno reduziria inevitavelmente a transmitância em 3%. Além disso, muitos contornos de grãos e deslocamentos foram desenvolvidos sob um processo de fabricação de grandes áreas, reduzindo ainda mais sua condutividade. Conseqüentemente, os fios metálicos são a solução mais promissora para os TCEs da próxima geração.

As estruturas metálicas de última geração em escala micrométrica alcançaram 90% de transmitância e resistência de folha de 10 Ω/sq para o processo de eletrofiação e 88,6% de transmitância e resistência de folha de 2,1 Ω/sq40 para o procedimento litográfico. Esses dois fios metálicos foram então integrados em aplicações de células solares41 e OLED42. No entanto, uma vez que o tamanho do pixel dos displays OLED se aproxima da escala submícron, essas duas técnicas apresentam insuficiências críticas. Por exemplo, fios eletrofiados aleatoriamente com múltiplas junções levam à flutuação da transmitância e da resistência da folha; além disso, sua distribuição aleatória os torna inadequados para a aplicação de OLEDs agrupados de alta resolução. Por outro lado, malhas metálicas em microescala sofrem de franjas Moiré, dificultando suas aplicações no campo de dispositivos optoeletrônicos de alta resolução, incluindo realidade aumentada e realidade virtual. Para resolver as questões acima mencionadas, neste trabalho, propusemos fios plasmônicos bidimensionais com periodicidade em nanoescala, denominados fios plasmônicos em nanoescala (NPWs). Observe que embora a periodicidade dos NPWs se aproxime do limite de difração, ainda podemos alcançar grande transmitância e condutividade simultaneamente. Otimizamos o design dos NPWs propostos, maximizando ainda mais sua figura de mérito (FoMs), apresentando um TCE superior para displays OLED de alta resolução .