Morphology, performance, and stability of flexible and transparent electrodes imprinted from gold nanowires and -spheres

Abstract

Flexible transparent electrodes (FTEs) were prepared from gold nanospheres and ultra-thin gold nanowires with oleylamine ligand shell and characterised. Their colloidal inks were patterned using direct nanoimprint lithography at different particle concentrations in cyclohexane on polyethylene terephthalate substrates with a patterned polydimethylsiloxane stamp. The wire inks agglomerated upon dilution, while sphere inks did not undergo this entropy-driven mechanism. At the highest printed concentration they were still well dispersed. Plasma sintering converted the imprinted grids into conductive electrodes, but only partially removed the ligands. The sintered lines consisted of a hybrid core and a thin conductive metal shell. Wire-based shells had a coarse surface microstructure and pronounced porosity. This rendered the wire-based FTEs instable. Spheres formed smooth shells with little or no porosity, enabling a beneficial ageing process. Immediately after plasma sintering, the ratio of optical transmittance to electrical resistance for wire-based FTEs exceeded that of sphere-based FTEs. Ageing reversed this order. The instability of wire-based FTEs was overcome by PEDOT:PSS coatings.

Flexible transparente Elektroden (FTEs) wurden aus Goldnanokugeln und aus ultradünnen Goldnanodrähten mit Oleylamin-Ligandenhülle hergestellt und charakterisiert. Ihre kolloidalen Tinten wurden durch direkte Nanoprägelithographie bei verschiedenen Partikelkonzentrationen in Cyclohexan auf Polyethylenterephthalat-Substraten mit einem eine Prägestruktur aufweisenden Polydimethylsiloxan-Stempel strukturiert. Die drahtbasierten Tinten agglomerierten beim Verdünnen. Kugelbasierte Tinten unterlagen dem Entropie getriebenen Mechanismus nicht. Sie blieben auch bei der höchsten geprägten Konzentration dispers verteilt. Plasmasintern überführte die geprägten Gitter in leitfähige Elektroden, entfernte die Liganden dabei aber nur teilweise. Die gesinterten Linien bestanden aus einem hybriden Kern und einer dünnen leitenden Metallschale. Die Schalen auf Drahtbasis hatten eine grobe Oberflächenmikrostruktur und eine ausgeprägte Porosität. Dies machte die Draht-FTEs sehr instabil. Kugeln bildeten glatte Schalen mit wenig oder keiner Porosität. Sie sind die Basis für eine vorteilhafte Alterung. Direkt nach der Plasmabehandlung übertraf das Verhältnis von optischer Transmission zu elektrischem Widerstand bei Draht-FTEs jenes von Kugel-FTEs. Alterung kehrte diese Reihenfolge um. Die Instabilität der Draht-FTEs wurde durch eine PEDOT:PSS Beschichtung überwunden.