Patterned Flexible and Transparent Electrodes for Future Dynamic Thin Film Optical Devices

L’industrie de l’optoélectronique, étant en constante évolution, est toujours à l’affût de solutions innovantes pouvant améliorer les technologies existantes ou en développer de nouvelles. Les électrodes transparentes, au cœur de plusieurs produits, ne font pas exception à la règle. Parmi les défis, la conception d’électrodes, non pas seulement transparentes, mais également flexibles, marque un point d’intérêt pour l’industrie. Les oxydes transparents et conducteurs sont régulièrement utilisés pour la fabrication d’électrodes transparentes, puisqu’ils conjuguent transparence et conductivité. Parmi ceux-ci, l’oxyde d’indium-étain (ITO) est le matériel le plus fréquemment utilisé. En revanche, l’ITO est fragile, entre autres lorsqu’il est placé sous contraintes mécaniques. De plus, il nécessite une étape de recuit pour améliorer ses propriétés optoélectroniques. Ces deux facteurs font de l’ITO un matériel moins intéressant quand il s’agit d’obtenir une électrode flexible en plus d’être transparente. Par conséquent, des recherches doivent être réalisées dans le but de trouver des solutions alternatives. Pour ce faire, de multiples techniques et matériaux peuvent être combinés pour réussir à obtenir des électrodes transparentes et flexibles. La méthode proposée, dans ce projet, repose sur l’usage de motifs pour créer des zones non conductrices hautement transparentes et des régions conductrices ayant une transparence variable selon les matériaux et les épaisseurs utilisés. Cette technique permet d’améliorer la transmission totale de l’électrode et sa flexibilité, tout en assurant un certain niveau de conductivité. Le but de l’étude étant d’amener cette transmission lumineuse (Tlum) à 90 % ou plus tout en maintenant la résistance de surface (Rs) en deçà ou égale à 50 Ω/□. En ce qui concerne les matériaux, l’étude s’est concentrée sur l’utilisation de métaux ainsi que d’ITO. Grâce aux tests effectués sur les différentes formes et grandeurs des motifs, au cours du projet, une meilleure compréhension de leurs effets sur les propriétés optoélectroniques et la flexibilité des électrodes a pu être établie. Finalement, un appareil a dû être conçu afin de mesurer la flexibilité des électrodes, le laboratoire n’ayant pas d’outils similaires à sa disposition. Ce projet expose une approche nouvelle et alternative afin de fabriquer des électrodes transparentes et flexibles. Le premier élément clé de cette technique consiste à utiliser un empilement de trois couches minces composées d’or et d’ITO (ITO-Au-ITO), déposées sur un substrat de PET par pulvérisation cathodique magnétron.

Abstract

The optoelectronic industry is always looking for new technological advances and solutions to follow its constant evolution. Flexible and transparent electrodes (FTEs) are central to many new-generation products and thus require continuous improvements. Transparent conductive oxides (TCOs) are popular materials for fabricating transparent electrodes, since they combine transparency and conductivity. Indium tin oxide (ITO) is the most popular material among TCOs. However, it shows limitations when it comes to flexibility as well as below-average optoelectronic properties without the use of annealing. Therefore, for the fabrication of FTEs, finding new solutions to bypass these drawbacks is imperative. Different avenues can be explored to create highly transparent and flexible electrodes to accomplish the aforementioned challenges. Multiple techniques and materials can be combined to obtain FTEs. The project focused on the use of ITO and metals combined with patterning as a way of improving the luminous transmittance and the flexibility of the electrodes without severely compromising their sheet resistance (Tlum ≥ 90%, Rs ≤ 50 Ω/□). By testing different types and sizes of patterns, the project also studied how these parameters affect the resulting optoelectronic properties and flexibility of the electrodes. Finally, a tool had to be designed to test the flexibility of the electrodes, as no such system could perform the required measurements in the laboratory. In this project, an alternative electrode fabrication process is presented. The latter uses a tri-layer stack of gold and ITO deposited via magnetron sputtering on a resist-patterned PET substrate produced via photolithography. Photolithography was selected as the patterning technique, since it is a well-known and documented process that provides easily repeatable results. Furthermore, by simply changing the photomask, photolithography allows the testing of a wide variety of types and sizes of patterns while keeping the same methodology, saving time and allowing for comparable results for each electrode design. The ITO-gold-ITO stack leads to high conductivity, durability, and flexibility provided by the gold layer and high transparency with the addition of the ITO layers. The latter also brought the added benefits of mechanically protecting the gold layer from damages such as scratches, as well as providing the electrode with a conductive top layer. Furthermore, the bottom ITO layer acted as a good seed layer for gold, promoting an earlier percolation threshold and improved optoelectronic properties. Afterward, the transparency and flexibility of the electrodes are further enhanced with the incorporation of patterning.