Ultrathin gold nanowires for transparent electronics

Abstract

Transparent electrodes (TEs) are key components of modern optoelectronic devices like touch screens, solar cells, and OLEDs, but an inherent trade-off between high electrical conductivity and optical transparency limits the available material range. Indium tin oxide (ITO) has been dominating the market, but cannot provide the mechanical flexibility that novel devices based on polymer substrates require; high process temperatures required for high-grade ITO exceed the thermal budget of many polymers. Solutionprocessed metal grids from nanoscale building blocks are a promising alternative providing superior mechanical flexibility at cost-effective and scalable fabrication with low thermal budget. For this dissertation, ultrathin gold nanowires (AuNWs) from wet-chemical synthesis were explored as novel base material for TEs. Plasma sintering was shown to ameliorate the wires’ high contact resistances and poor stability. A novel nanoimprinting process was developed to pattern AuNWs into grids. The method relies on the large flexibility of the AuNWs and their ability to self-assemble into continuous hierarchical superstructures in the cavities of a pre-patterned elastomeric stamp. The process yielded ordered grids with submicron linewidth at low thermal budget, thus going beyond state-of-theart printed grids. The grids also showed competitive optoelectronic properties and superior mechanical flexibility to the incumbent materials and were applied as TEs in touch sensors.

Transparente Elektroden (TE) sind Schlüsselbauteile moderner optoelektronischer Geräte wie Touchscreens, Solarzellen oder OLEDs. Es besteht jedoch ein intrinsischer Zielkonflikt zwischen elektrischer Leitfähigkeit und optischer Transparenz, was die Auswahl an verfügbaren Materialien stark eingrenzt. Indium-Zinn-Oxid (ITO), welches bis heute den Markt dominiert, kann die mechanische Flexibilität neuer Geräte basierend auf Polymersubstraten nicht gewährleisten; die für hochwertiges ITO benötigten Prozesstemperaturen übersteigen oft die thermische Beständigkeit vieler Polymere. Nassbeschichtete Metallgitter aus nanoskaligen Bausteinen sind eine vielversprechende Alternative: sie weisen höhere mechanische Flexibilität auf und können durch kosteneffiziente und skalierbare Prozesse bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden. In der vorliegenden Dissertation wurden ultradünne Gold Nanodrähte (AuNWs) aus nasschemischer Synthese als neuartige Bausteine für TE untersucht. Durch Plasmasintern konnten die hohen Kontaktwiderstände und geringe Stabilität der AuNWs verbessert werden. Ein neuartiger Nanopräge-Prozess wurde entwickelt, um AuNWs zu Gittern zu strukturieren. Die Methode beruht auf der hohen Flexibilität der AuNWs und deren Fähigkeit sich zu kontinuierlichen, hierarchischen Überstrukturen in den Zwischenräumen eines vorstrukturierten Stempels selbst anzuordnen. Mit dem Prozess wurden geordnete Gitter mit Linienbreiten unter einem Mikrometer unter geringer thermischer Einwirkung hergestellt. Die Gitter haben konkurrenzfähige optoelektronische Eigenschaften zu den vorherrschenden Materialien bei überlegener mechanischer Flexibilität und wurden als TE in berührungsempfindlichen Sensoren verbaut.