Серебряный затворный электрод с УФ-отверждением для струйной печати с низким электрическим сопротивлением

Фон

С развитием печатной электроники струйная печать привлекает все большее внимание академических и промышленных кругов. Ведется много работ по применению струйной печати на тонкопленочных транзисторах [1, 2]. Струйная печать может не только сократить количество этапов процесса и количество отходов материала с помощью метода «капля по требованию» [3, 4], но также сделать возможным прямое формирование рисунка на устройствах [5]. Кроме того, низкотемпературное производство становится все более важным для производства электронных продуктов. Метод УФ-отверждения известен как метод низкотемпературного и быстрого отверждения, который может удовлетворить потребности низкотемпературного производства электроники.

Большинство предыдущих работ по печатной электронике было сосредоточено на методе термоотверждения [6,7,8,9,10,11]. Однако метод термического отверждения обычно выполняется при температуре выше 200 ° C в течение более 30 минут, чтобы удалить органические остатки в чернилах, что нежелательно для постоянно растущей гибкой электроники, требующей производства при низких температурах или даже при комнатной температуре. техники. Кроме того, в некоторых работах для отверждения серебряных пленок, отпечатанных струйной печатью, используются лазерное спекание [12], электрическое спекание [13] и другие методы [14, 15].

В этой статье чернила с наночастицами серебра использовались для изготовления электродов затвора из-за их хорошей проводимости и химической стабильности по сравнению с медью. Что еще более важно, температура плавления наночастиц серебра намного ниже, чем у массивного серебра, что позволяет получать проводящие пленки при низких температурах [14, 16]. Поскольку на электрическое сопротивление серебряных затворных электродов, напечатанных струйной печатью, сильно влияет процесс последующей обработки, было исследовано влияние условий УФ-отверждения на электрическое сопротивление серебряных пленок. Кроме того, адгезия пленок серебра, отвержденных УФ-излучением, также была измерена с помощью ленточного теста. Наконец, мы обсудили различия между пленками, отвержденными УФ-излучением, и пленками, прошедшими термообработку.

Методы

В качестве материалов подложки использовалось стекло. Чтобы удалить поверхностное загрязнение, эти подложки последовательно обрабатывали ультразвуком в изопропиловом спирте, тетрагидрофуране, деионизированной воде и изопропиловом спирте. Чернила с наночастицами серебра, используемые при струйной печати, представляли собой DGP-40LT-15C, приобретенные у Advanced Nano Products Co. Ltd. Для печати желаемых пленок использовали принтер Dimatix (DMP-2800) с картриджем на 10 мкл. Во время печати температура подложки принтера была установлена ​​на уровне 30 ° C, и чернила с наночастицами серебра были напечатаны на подложках с расстоянием между каплями 35 мкм. После печати пленки были отверждены с помощью УФ-системы отверждения (IntelliRay UV0832, Uvitron International Inc.). Мощность УФ лампы в системе 600 Вт.

Д определялась как расстояние между серебряными пленками и УФ-лампой во время УФ-отверждения. Когда D =37 см пленки были отверждены при разном времени УФ-отверждения для изучения влияния времени УФ-отверждения на удельное электрическое сопротивление:180, 240, 360 и 480 с. Чтобы изучить влияние D на электрическое сопротивление, пленки были отверждены на разных расстояниях, когда время отверждения было установлено на 180 с:37, 29, 27, 25 и 23 см. А затем мы отвердили серебряную пленку при различных условиях УФ-отверждения, чтобы определить оптимальные условия на основе приведенных выше результатов. Кроме того, пленки также подвергались термообработке на воздухе при различных температурах для сравнения:25, 70, 100, 120 и 140 ° C.

Удельное электрическое сопротивление пленок рассчитывалось по формуле ρ =R _s × ч ( ρ :удельное электрическое сопротивление, R _s :сопротивление листа, h:толщина пленки). Сопротивление листа измеряли с помощью цифрового четырехзондового тестера (KDY-1, Guangzhou Kunde Co.Ltd). Толщина измерялась ступенчатым профилометром (Dektak). Сканирующая электронная микроскопия (SEM, NOVA NANOSEM 430) с энергодисперсионным рентгеновским спектрометром (EDS) использовалась для получения информации о поверхности и содержании элементов в отвержденных серебряных пленках. Трехмерные морфологические изображения были охарактеризованы с помощью оптического профилографа (Veeco NT 9300).

Принцип эксперимента

Поскольку кислород в воздухе будет поглощать УФ-излучение и превращаться в газообразный озон, который приводит к быстрому ослаблению ультрафиолетового излучения в воздухе [17, 18], энергия УФ-излучения, которому подвергаются серебряные пленки, будет уменьшаться по мере увеличения Д ( E ₁ > E ₂ ). Как показано на рис. 1a, интенсивность УФ-излучения уменьшается с увеличением D (\ (\ frac {E_1} {S_1}> \ frac {E_2} {S_2} \)). Концентрация озона также уменьшается с увеличением D, показанным на рис. 1b. Кроме того, газообразный озон вступает в реакцию с серебряными пленками и образует оксид серебра, который увеличивает удельное электрическое сопротивление пленок.

Принципиальные схемы УФ-отверждения:( a ) интенсивность УФ-излучения на разных расстояниях; ( б ) распределение газообразного озона, образующегося при УФ-облучении; ( c ) распространение УФ-излучения при отверждении серебряной пленки

На рис. 1с показан механизм УФ-отверждения. Когда УФ-излучение достигает поверхности необработанных серебряных пленок, только небольшая часть излучения проникает в пленку, которая может задерживаться на определенной глубине пленок, или выходить из пленки из-за отражения, или проникать в более глубокие слои. слои. Чем больше глубина проникновения, тем слабее становится УФ-излучение. Во время этого процесса излучение будет поглощаться наночастицами серебра и органическими веществами, а затем преобразовываться в тепло [19, 20]. Когда в пленках постепенно накапливается тепло, температура повышается, что приводит к удалению органических веществ. Более того, глубина отверждения будет больше, и удаление органических веществ будет улучшаться, когда D уменьшается, что означает усиление излучения.

Результаты и обсуждение

На рис. 2а показано влияние времени УФ-отверждения на удельное электрическое сопротивление серебряных пленок, когда D =37 см. Удельное электрическое сопротивление резко снизилось, когда время УФ-отверждения увеличилось до 360 с. По мере того, как время продолжает увеличиваться, оно немного уменьшалось. На рисунке 2b показаны изменения относительного содержания атомов в серебряных пленках по мере увеличения времени УФ-отверждения, когда D =37 см. Относительное атомное содержание углерода и кислорода постепенно уменьшалось, в то время как содержание серебра увеличивалось, что означало, что органические вещества с высоким электрическим сопротивлением постепенно удалялись. Во время этого процесса степень отверждения увеличивалась, а удельное электрическое сопротивление серебряных пленок снижалось. Когда время УФ-отверждения увеличилось с 360 до 480 с, небольшое уменьшение удельного электрического сопротивления указывало на то, что степень отверждения при D =37 см было почти близко к максимуму. Очевидно, УФ-излучение на D =37 см было недостаточно для удаления большего количества остаточных органических веществ, когда время УФ-отверждения превышало 360 с.

Когда D =37 см ( a ) удельное сопротивление в зависимости от времени УФ-отверждения; ( б ) атомное относительное содержание элементов пленки в зависимости от времени УФ-отверждения

На рис. 3а показано влияние D на удельное электрическое сопротивление серебряных пленок, когда время УФ-отверждения составляет 180 с. Когда D уменьшался с 37 до 25 см, удельное электросопротивление быстро уменьшалось. Впоследствии удельное электрическое сопротивление увеличивалось при уменьшении D с 25 до 23 см. Органические вещества из серебряных пленок постепенно удалялись при уменьшении D с 37 до 25 см, что способствовало снижению удельного электрического сопротивления.

Когда время УФ-отверждения составляло 180 с:( a ) удельное сопротивление в зависимости от расстояния; ( б ) атомное относительное содержание элементов пленок в зависимости от расстояния

На рис. 3b показаны изменения относительного содержания серебра, углерода и кислорода в зависимости от D, когда время УФ-отверждения составляет 180 с. Как показано на фиг. 3b, когда D уменьшалась с 37 до 29 см, относительное содержание углерода уменьшалось, тогда как содержание кислорода слегка увеличивалось. Хотя D уменьшилось, серебряные пленки подвергались более высокому уровню УФ-излучения, что означало, что глубина отверждения стала больше, УФ-отверждение и выделение тепла стали быстрее. В результате было удалено больше органических веществ. Таким образом, относительное содержание углерода уменьшалось, когда D уменьшилось с 37 до 29 см.

Когда D уменьшилось с 29 до 25 см, относительное содержание углерода увеличилось, а относительное содержание кислорода немного уменьшилось. Это указывает на то, что органические вещества могут карбонизироваться, что приводит к образованию проводящего углерода. Когда D уменьшался, более сильное УФ-излучение индуцировало более высокую температуру серебряной пленки. Когда D =27 см, температура была достаточно высокой, чтобы образовался проводящий углерод из-за карбонизации органических веществ. Углерод соединял наночастицы серебра, вызывая уменьшение удельного электрического сопротивления [13]. Когда D уменьшился с 27 до 25 см, между соседними наночастицами серебра образовалось больше углерода, что вызвало дальнейшее снижение удельного электрического сопротивления.

Относительное содержание углерода быстро уменьшалось, а содержание кислорода увеличивалось при уменьшении D с 25 до 23 см. Между тем, удельное электрическое сопротивление серебряной пленки уменьшилось. Возможны две причины этого явления. Первым было окисление наночастиц серебра. Сунг Джун Ким и др. предположили, что аморфный оксид серебра образовался на серебряной пленке из-за реакции газообразного озона на серебряные пленки [21]. Увеличение относительного содержания кислорода при D =23 см указывает на окисление серебряной пленки. Когда D уменьшается, интенсивность излучения становится больше, и газообразный озон может генерироваться вблизи поверхности серебряных пленок, что приводит к увеличению вероятности окисления. Кроме того, удельное электросопротивление при окислении серебра составляет 5,2 × 10 ⁻⁵ . Ом · м [22], что намного больше, чем у чистого серебра (1,6 × 10 ⁻⁸ Ом м). Таким образом, окисление серебра может вызвать увеличение удельного электрического сопротивления. Второй - удаление углерода, соединяющего наночастицы [13]. Когда D уменьшилось, накопление тепла стало быстрее и глубина отверждения стала глубже, углерод внутри пленок может быть удален из-за повышения температуры. В результате контакт между частицами серебра ухудшился, что привело к увеличению удельного электрического сопротивления.

На рис. 4 показаны СЭМ-изображения пленок серебра, отвержденных при различных условиях. Никаких очевидных различий в дисперсии и размере наночастиц серебра, отвержденных УФ-излучением в различных условиях, не наблюдалось. Наночастицы с однородным диаметром были равномерно распределены по поверхности и плотно прилегали друг к другу, что указывало на полное отверждение поверхности серебряной пленки за короткое время. Именно глубина отверждения и степень отверждения пленок на разной глубине обусловливают различие удельного электрического сопротивления серебряных пленок.

СЭМ-изображения серебряных пленок, отвержденных УФ-излучением при ( a ) D =37 см на 180 с; ( б ) D =37 см на 300 с; ( c ) D =37 см на 480 с; ( д ) D =29 см на 180 с; ( е ) D =25 см на 180 с; ( е ) D =25 см на 480 с

На рис. 5 показана морфология поверхности серебряных пленок, отвержденных УФ-излучением при различных условиях. На поверхности серебряных пленок появлялось несколько диспергированных пиков при D был изменен между 29 и 25 см. Однако не было небольшого пика, когда D =37 см. Это означало, что глубина отверждения увеличивалась с уменьшением D . Когда глубина отверждения была слишком мала, чтобы удалить все органические растворители из серебряной пленки, напечатанной струйной печатью, удалялись только органические вещества, близкие к поверхности, которые мало влияли на морфологию поверхности. Но когда глубина отверждения была большой, органические вещества на большой глубине должны были разрушить неглубокий слой пленок, которые нужно было удалить, что привело к появлению маленьких пиков. Таким образом, этот феномен может частично объяснить, как D влияет на удельное электрическое сопротивление серебряных пленок.

Трехмерная морфология поверхности серебряных пленок при различных условиях УФ-отверждения

Согласно приведенным выше результатам, удельное электрическое сопротивление уменьшалось, когда время УФ-отверждения увеличивалось до 360 с, а затем немного уменьшалось, когда время УФ-отверждения превышало 360 с. Кроме того, удельное электрическое сопротивление также уменьшалось при уменьшении D с 37 до 25 см, но увеличивалось при D был меньше 25 см. Таким образом, серебряные пленки подвергались УФ-отверждению при различных D от 37 до 25 см для различного времени УФ-отверждения, чтобы определить оптимальные условия УФ-отверждения.

На рис. 6а показано электрическое сопротивление серебряных пленок при различных условиях УФ-отверждения. Как показано на рис. 6а, удельное электрическое сопротивление уменьшалось с увеличением времени УФ-отверждения при определенной D а также снизился со снижением на D при определенном времени УФ-отверждения, что соответствует рисункам 2а и 3а соответственно. Мы полагали, что на глубину отверждения влияет D в то время как на степень отверждения влияет как время УФ-отверждения, так и D согласно результатам рис. 5 и рис. 6а. По нему был изготовлен серебряный электрод затвора с низким удельным сопротивлением (6,69 × 10 ⁻⁸ Ом м) УФ отверждение при D =25 см на 480 с. Кроме того, только небольшая часть серебряной пленки отслаивалась после испытания ленты, показанного на рис. 6b, показывая хорошую адгезию 4B по международному стандарту ASTM.

а Трехмерное изображение удельного электрического сопротивления серебряных пленок, отвержденных при различных условиях УФ-отверждения. б Фотография УФ-отвержденных серебряных пленок на стекле после испытания ленты

По сравнению с методом УФ-отверждения, для обработки серебряных пленок при различных температурах применялся метод термического отверждения. Как показано на рис. 7, удельное электрическое сопротивление уменьшалось с повышением температуры, но удельное электрическое сопротивление почти не менялось после того, как температура превысила 120 ° C, с удельным электрическим сопротивлением 3,68 × 10 ^{-8 Ом} м. Как показано на рис. 8, средний размер наночастиц постепенно увеличивается с повышением температуры. Многие наночастицы начали сливаться в более крупные частицы, когда температура достигла 100 ° C, и слились вместе, когда температура достигла 140 ° C. Сравнивая рис. 4 с рис. 8, можно увидеть, что наночастицы термообработанных серебряных пленок не были такими однородными, как УФ-отвержденные серебряные пленки. Удельное электрическое сопротивление пленки, отвержденной УФ-излучением при D =25 см за 480 с была лишь примерно в два раза больше, чем у пленки, термообработанной при 120 ° C. Мы также могли видеть, что пленки, отвержденные УФ-излучением, были намного более гладкими, чем пленки, подвергнутые термообработке, сравнив рис. 5 и рис. 9. Более того, наночастицы серебра в пленках, отвержденных УФ-излучением, не сливались в более крупные частицы, и было немного скоплений. наночастиц серебра, что указывает на то, что температура УФ-отверждения была ниже, чем при тепловом отверждении. Кроме того, метод УФ-отверждения был менее трудоемким. Таким образом, мы считали возможным изготовление серебряных электродов затвора с низким удельным сопротивлением при низкой температуре методом УФ-отверждения.

. Удельное сопротивление пленок серебра, термообработанных при различных температурах в течение 30 мин

СЭМ-изображения пленок серебра, термообработанных при различных температурах в течение 30 мин:( a ) 25 ° С; ( б ) 100 ° С; ( c ) 140 ° С

Трехмерная морфология поверхности серебряных пленок, термообработанных на ( a ) 25 ° С, ( b ) 100 ° C и ( c ) 140 ° С

Выводы

В этой работе мы подготовили серебряные затворные электроды для струйной печати с удельным электрическим сопротивлением 6,69 × 10 ⁻⁸ . Ом · м УФ-излучением при D =25 см на 480 с. Влияние времени УФ-отверждения и D на электрическое сопротивление пленок наночастиц серебра. Удельное электрическое сопротивление серебряных пленок уменьшалось по мере увеличения времени УФ-отверждения или D уменьшилось за счет эффективного удаления органических веществ. Но когда D была меньше 25 см, удельное электрическое сопротивление увеличивалось из-за возможного окисления серебра или возможного удаления проводящего углерода, образующегося во время УФ-отверждения. По сравнению с серебряной пленкой, отвержденной термическим отверждением, текстура серебряной пленки, отвержденной ультрафиолетом, более гладкая, чем термообработанная серебряная пленка; кроме того, УФ-отверждение занимало меньше времени. УФ-излучение обеспечивает экономящий время и эффективный подход к изготовлению электрода затвора из серебряных наночастиц с низким электрическим сопротивлением методом УФ-отверждения.