仿真和实验预测纳米线薄膜透明电极的方阻和透光率外文翻译资料

 2022-07-12 02:07

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仿真和实验预测纳米线薄膜透明电极的方阻和透光率

摘要：金属纳米线薄膜是下一代灵活解决处理透明电极最有前途的替代品。纳米线合成和加工方面的突破报告表明具有较小方阻（Rsle;100Omega;/ sq）和高光学透明度（％Tgt; 90％）。比较各种纳米线和制造方法的优点是不准确的，因为Rs和％T取决于各种独立参数，包括纳米线长度，纳米线直径，纳米线的面密度和纳米线之间的接触电阻。为了解释纳米线薄膜的这些基本参数，本文将仿真和实验结果相结合，以建立定量预测模型。首先，通过将二维杆网络模拟的结果拟合到明确定义的纳米线膜的实验数据中，我们获得了有效的平均接触电阻，这是纳米线化学和加工方法的指示。其次，这种有效的接触电阻用于模拟薄层电阻如何取决于单分散棒的纵横比（L / D）和面密度以及短纳米线和长纳米线的混合对方阻的影响。第三，通过结合我们的薄层电阻模拟和光学透射率的经验直径相关表达式，我们产生了光透射率与方阻的全计算函数。我们对银纳米线的预测得到了银纳米线薄膜的实验结果的验证，其中L / Dgt; 400的纳米线是高性能透明电极所必需的。与采用单一渗透系数的广泛使用的方法相比，我们的方法集成了模拟和实验结果，使研究人员能够独立探索纳米线之间接触电阻的重要性，以及纳米线面积分数和纳米线尺寸的任意分布。 为了提高竞争力，金属纳米线系统需要一个预测工具来加速他们的设计和特定应用的采用。

关键词：接触电阻；纳米线；方阻；银；仿真；透明电极

透明导体（TCs）使当今无处不在的平板显示器和触摸屏技术以及众多新兴应用如薄膜太阳能电池，有机发光二极管（OLED），电子纸，传感器，静电屏蔽和抗静电涂料。在所有应用领域中，TCs的两个关键性能标准是光透过率（％T）和方阻（Rs）。 在可见光区（ge;90％）具有非常高的透光率是大多数应用的典型要求，而Rs可以根据具体应用在很宽的范围内变化。例如，用于太阳能电池和OLED的电极的TC需要非常低的Rs（lt;10Omega;/ sq），而对于许多触摸屏应用来说，约100Omega;/ sq的Rs值是可接受的，并且静态耗散和电磁屏蔽要求通常gt;103Omega;/sq。 氧化铟锡（ITO）由于其高性能而在透明导体领域占据主导地位，尽管ITO的脆性使其不适用于下一代柔性显示器应用。目前正在寻找高性能TCs应用的新材料替代品，这些替代品具有非常高的光电子性能（％Tgt; 90％和Rsle;100Omega;/ sq），并且符合重要标准，如可承受性，低温伸缩性和大面积溶液处理等。目前，探索出来新的TCs中最重要的材料系统是导电聚合物和高导电性纳米材料的网络，例如碳纳米管，石墨烯薄片和金属纳米线。导电聚合物如3,4-乙烯二氧噻吩和苯乙烯磺酸酯相对于ITO的性能低于用于需要低表面电阻的应用并且还存在稳定性问题。碳纳米管的无规网络被广泛研究，但由于纳米管之间的接触电阻大，以及高水平的杂质和分散性，通常表现出比ITO低的性能。基于石墨烯的TCs正在迅速发展，但由于存在许多晶界和缺陷，所以在从溶液中加工时尚未达到必要的性能标准。金属纳米线的随机网络被广泛认为是具有与ITO和竞争性无定形氧化物相当的性能的最有希望的候选者。金属纳米线薄膜与低温溶液处理和大面积沉积兼容，这可以降低成本并使其成为新兴的灵活TC应用的理想选择。银纳米线薄膜显示出最佳性能，并且已经作为第一个用于触摸屏应用的市售湿式TCs进入市场。

迄今为止，文献中很少有研究尝试系统地将纳米线性质和纳米线膜的结构与其最终性能关联起来。 迄今为止最系统的实验研究由Bergin等人进行。他们将实验和光学模拟结合起来研究银纳米线薄膜的性能，作为纳米线长度，直径和面积覆盖率的函数。 在实验上，他们观察到对纳米线长度和面密度的Rs有很强的依赖性，其结果与2D无光条系统的理论预测一致。另外，网络的％T与纳米线的面积覆盖率成反比。 Sorel等人研究了银纳米线长度和直径对光电子特性的影响，观察到纳米线长度对网络电导率的强烈影响，但没有观察到透射率。Coleman和他的同事将％T和Rs纳米线薄膜通过从主体的逾渗状态来估算膜厚度，但这种经验方法未能明确说明纳米线尺寸和网络结构， 特别是在稀疏网络中。 本文后面将详细分析他们的模型。虽然在该领域有广泛的共识，金属纳米线是最有前景的透明导体纳米材料之一，但充分发挥其潜力并使其能够快速采用，需要强大的预测模型。 金属纳米线垫的光电性质取决于包括纳米线结构（长度，直径，尺寸分散性，组成等）和整体网络形态（面密度，分散，取向等）的多个特征。金属纳米线的光电子特性的预测和定量模型有望为纳米线合成和网络制造提供指导，从而有助于可靠和快速地设计具有针对特定应用的优化特性的工程化网络。 迄今为止，一些仿真研究已经模拟了棒状纳米的二维网络的电学性质。尽管Behnam和Ural以及Kocabas等人将它们的模拟结果与实验进行了关联，以阐明CNT基薄膜中几何结垢的行为，但这些研究主要针对碳纳米管薄膜，它们的主要焦点是临界渗滤现象。 薄膜晶体管。 Lee等人使用高度理想化的周期性网络结构，与随机纳米线网络的形态不一致，进行了明确模拟迄今为止网络薄层电阻的唯一尝试。

在本文中，我们首次模拟了薄膜金属纳米线网络的方阻随纳米线尺寸（长度和直径），尺寸分散度和面密度的变化。 我们调整仿真中的单个参数，两个纳米线之间的有效平均接触电阻（Rc_effective），以适合作为面密度的函数的纳米线薄膜的薄层电阻的实验值。通过使用这个拟合参数，我们的模拟随后根据纳米线尺寸，尺寸分散性和面密度定量测方阻。 此外，通过结合我们对方阻的仿真和最近公布的光学透射率表达式，我们报告了第一个完全计算的光透射率与方阻的关系曲线，这两个参数定义了透明电极领域的性能。 对于这里研究的银纳米线，我们发现在适中的纳米线密度下，低表面电阻（Rsle;100Omega;/ sq）需要Rc_effective =2kOmega;且L / Dgt; 100。此外，我们观察到，需要较高L / D棒（L / Dgt; 400）和中间面密度，以同时优化光学透射率和在％Tgt; 90％时Rsle;100Omega;/ sq的薄层电阻。这些预测与高性能银纳米线薄膜的实验结果一致，证明了我们的仿真能够捕获重要的实验趋势。 我们的仿真和实验方法提取Rc_effective，从而使不同成分的纳米线或通过不同方式制造的网络之间的比较以从纳米线的尺寸和网络的面密度解卷积的方式进行比较。 这一方向的贡献为理解金属纳米线网络中的结构 - 性质关系创造了一个全面的框架，从而指导未来的实验工作并加速这些有前途的系统的开发。

结果及讨论

从实验数据中提取Rc_effective

为了模拟准二维纳米线网络的方阻，我们采用了两步法。 首先，使用蒙特卡罗过程产生棒的随机组合，并且执行聚类分析以识别渗透或跨越棒集群。其次，采用随机电阻网络方法计算样品两端的电流，以分离杆网络，并在每个节点处求解Kirchoff电流定律方程。 我们以前在三维网络中使用这种模拟方法来探索棒状取向，纵横比和尺寸分散对包含圆柱形纳米填料如聚碳酸酯纳米管和金属纳米线的聚合物纳米复合材料的电导率的影响。在那些研究中，只有电逾渗阈值的临界浓度与实验结果定量比较。 在目前的工作中，我们采用我们的3D模拟方法，通过将棒状物限制在薄膜上来模拟准2D纳米线薄膜的方阻。 当网络稀疏且L / D大于约20时，准二维杆网络非常适合于纳米线薄膜，这对于透明导体来说是典型的。 在支持信息中提供了二维仿真的代表性渲染，并说明了仿真中使用的大型系统规模。

图1示出了来自具有50,84和75nm直径的纳米线的模型银纳米线（Ag NW）膜的三组实验数据的面电阻作为面积分数的函数，所述纳米线对应于具有L / D = 分别为200,258和275。 面积分数（AF）定义为电影中纳米线的数量密度乘以纳米线的投影面积。我们使用相同尺寸的棒来模拟网络并计算方阻。 为了模拟实验结果，我们调整了模拟中的一个自由变量，即两个纳米线之间的有效平均接触电阻Rc_effective。 实验和模拟之间的一致性非常好，表明我们的模拟能够定量捕捉纳米线尺寸和面积分数对方阻的影响。

图1

示意图说明单分散棒的渗透网络，其中纳米线 - 纳米线结（红色点）处的电阻占主导（Rcraquo;Rrod）。 对于所示的三个L / D值，银纳米线薄膜（点）的实验薄层电阻（Rs）作为面积分数（AF）的函数。 来自具有指定的L和D的棒的准2D模拟的薄层电阻使用有效的接触电阻（Rc_effective）来将模拟拟合到实验数据，并且最佳拟合对应于Rc_effective =1.5kOmega;（虚线）和2.5kOmega;（实线）。

在继续之前，我们列举了我们模拟的几个属性。 棒互相渗透：这是一个被广泛接受的近似值，我们之前已经表明，与实验相比，逾渗阈值几乎没有影响。这些棒是刚性的直圆柱体，这是实验典型纳米线的适当表示，其直径为40-100nm，长度lt; 20微米。接触电阻Rc分配给系统中的所有杆 - 杆接头，与接触面积无关。这个假设之前已经应用到纳米管系统中，即使由于存在金属和半导体CNTs（28,33,35,36,47），预期结电阻会有很大变化，并且当然更适合于金属纳米线之间。 最后，我们网络中的所有电阻都来自触点，而棒本身没有内阻（Rrod = 0）。 这个假设对于我们的Ag NW薄膜是可信的，因为合适的质量很好，如图1所示。此外，渗滤电导率指数为1.75，并且该指数与由接触电阻（Rcraquo;Rrod）支配的传输一致。 在这些准2D系统的关键行为的补充研究中，在更高的棒密度下观察到两个渗流传导率指数。 自然地，纳米线合成和纳米线膜制造和加工的细节可以改变Rcraquo;Rnw假设合理的程度，但是图1中的拟合质量的电导率指数表明接触电阻占优势。

当Rc_effective在1.5和2.5kOmega;之间时（图1），我们获得了与实验结果的最佳拟合。 重要的是，相同的Rc_effective范围适用于Dnw = 50-84 nm的Ag NW的所有三个实验数据集，这与Rc_effective在狭窄范围内对直径的敏感性最小的预期一致。 为了进行比较，文献报道的接触电阻值来自电流测量交叉Ag NW结，平均直径Dnwasymp;40-80 nm对于等离子体焊接的银结为8kOmega;，对于通过电化学退火涂覆金的Ag NWs，约为0.5kOmega;。这些实验值对应于孤立的连接点。 相反，Rc_effective是从包含103到106个棒的模拟中提取出来的，通过拟合包含纳米线连接的各种集合的实验纳米线膜。Rc_effective的提取值作为我们模拟中唯一可调整的参数，除了近似Rc外，还包括模拟中的各种简化假设和实验系统中的非理想性（尺寸分散性等）。

Rc_effective是一个有价值的且以前无法访问的参数。 首先，使用Rc_effective，我们可以可靠地获得通过比较方法制备的Ag NW薄膜的定量预测，作为面密度，纳米线尺寸（长度和直径），尺寸分散度和纳米线取向的函数; 这部分在下面进行了演示。 其次，通过对不同的纳米线和制造方法寻找Rc_effective，可以可靠地评估独立于L / D和面积分数变化的新金属纳米线材料和加工方法。 这种集成的模拟和实验方法可以极大地提高针对特定应用开发新透明导体的速度。

Rs的定量预测

现在我们在我们的模拟中应用Rc_effective = 2kOmega;来预测薄膜电阻（Rs）对银纳米线薄膜中纳米线纵横比（L / D）和面积分数（AF）的依赖性（图2）。 我们模拟宽高比范围L / D = 25-800的纳米线网络，其中所有棒的Drod = 50 nm，长度不等（Lrod = 1.25-40mu;m）。 对于每个L / D，Rs遵循以下3个阶段：典型的渗透行为：（1）低纳米线密度的高电阻网络（当L / D = 800时AF = 0.01）;（2）临界Rs快速下降 区域在渗滤阈值（AFc）附近，以及（3）当网络建立良好时，在高纳米线密度下弱化AF依赖性。

图2

图2示意图说明了具有接近或远高于渗透临界面积分数（AFc）的纳米线面积分数的单分散杆的两个渗滤网络。 使用有效平均接触电阻Rc_effective = 2kOmega;和恒定Drod = 50 nm，仿真得到的方阻与纳米线薄膜中L / D和棒面积分数的函数关系。 虚线表示高性能应用所需的性能标准Rsle;100Omega;/ sq。

图2所示的结果是对纳米线L / D和面密度的Rs依赖性的首次理论预测。 我们观察到方阻的非常强的纵横比依赖性。 对于密集网络，当纵横比加倍时，给定面积分数的Rs下降约4倍。 此外，即使L / D = 800非常高，增加L / D仍然有价值。对于许多应用，最大允许的薄层电阻为100Omega;/ sq，并且这些结果发现需要L / Dgt; 100来满足此 在中等面积分数的标准（AF lt;0.4，Drod = 50nm）。当然，这些预测对于使用类似方法制备的银纳米线薄膜来说是最可靠的，这些银纳米薄膜包含Dnwasymp;40-100 nm和长度lt;20mu;m的Ag NW，因为这些与我们对Rc_effective的测定一致（图1）。 不过，图2中的发现提供了有价值的见解。 具体而言，我们的研究结果激发了对改进合成方法的积极追求，以生产超高纵横比纳米线，以优化基于纳米线的TCs的方阻。

图2中Rs的强纵横比依赖性与高纵横比棒的渗透研究定性地一致，并与金属纳米线的实验在数量上一致。 在无杆2D棒的理论中，形成渗透网络所需的棒的临界数密度（Nc）与Lstick2（Ncalpha;1/ Lstick2）成反比。因此，较长的棒产生更好连接的网络，导致较低的电导率 这与我们在图2中的发现一致。在中等纳米线密度下Rsle;100Omega;/ sq需要L / Dgt; 100的

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