Ultrathin metal transparent electrodes for the optoelectronics industry

Transparent electrodes (TEs) are the essential elements of many optoelectronic devices such as solar cells, touch screens, organic LEDs, and LCDs. Consequently demand for TEs is growing very steeply and the market value presently stands at 8 billion USDs. The state-of-art indium tin oxide (ITO) has an excellent trade-off between optical transparency and electrical sheet resistance but suffers from several drawbacks, mainly the increasing cost due to indium shortage, and inadequate flexibility due to poor mechanical ductility. This thesis presents the development of a new class of TEs based on ultrathin metal films (UTMFs). The work started from understanding the fundamental aspects of UTMF growth and properties, and then focused on different UTMF based geometries, composition, and combination for potential applications in different optoelectronic applications. Single component ultrathin Ni and Cr films were shown to possess significantly high transparency in the ultraviolet (175–400 nm) and mid-infrared (2.5–25 μm) regions making them viable TE for devices such as UV photodiodes, and IR pyroelectric detectors. The natural oxidation process, which is a major concern for metal films, has been exploited to achieve stable metallic films by inducing a protective oxide layer. In another proposed novel design, incorporating an ad hoc conductive grid, the sheet resistance of UTMFs can be reduced by more than two orders of magnitude with negligible loss in transparency, which in turn eliminates the inverse trade-off relationship between optical transparency and electrical conductivity of continuous metal based TEs. A TE structure based on the ultrathin conductive Cu films with an application specific functionalized capping layer of Ti or Ni layer has been demonstrated. The properties of the TE can be tuned accordingly and show excellent stability against temperature, and oxidation. The suitability of Ag-Cu alloy films as TE as an alternative to ITO has been also investigated
Los electrodos transparentes (TEs) son elementos básicos de muchos dispositivos optoelectrónicos, tales como células solares, pantallas táctiles, LEDs orgánicos i LCDs. En consecuencia, la demanda de éstos TEs está creciendo paulatinamente y con un valor de mercado actual de 8 billones de dólares (USD). El estado del arte del óxido de estaño dopado con Indio (ITO) ofrece un excelente compromiso entre transparencia óptica y resistencia eléctrica de hoja pero también tiene inconvenientes, principalmente de precio debido a la escasez del Indio, así como de una inadecuada flexibilidad debida a una baja ductilidad mecánica. En esta tesis se presenta el desarrollo de una nueva clase de TEs basados en capas ultradelgadas de metales (UTMFs). El trabajo empieza des de la comprensión de los aspectos fundamentales relacionados con el crecimiento de los UTMF y sus propiedades, para luego focalizarse en diferentes geometrías, composición y combinaciones para diferentes aplicaciones potenciales en el campo de la optoelectrónica. Las capas ultradelgadas monocomponentes de Ni y de Cr han mostrado tener significativamente alta transparencia en el rango ultravioleta (175-380nm) y en el Infrarrojo mediano (2.5-25um), haciéndolos, por tanto, TE viables para dispositivos tales como fotodiodos de UV y detectores piroeléctricos del IR. El proceso natural de oxidación, el cual es un problema central para las capas metálicas, ha sido aprovechado para conseguir capas metálicas estables gracias a una capa protectora de óxido. En otro novedoso diseño, gracias a la incorporación ad hoc de una malla conductora, la resistencia eléctrica de hoja de los UTMFs puede ser disminuida hasta dos órdenes de magnitud y con una pérdida de transmisión despreciable, y por lo tanto, elimina el compromiso limitante entre transparencia óptica y conductividad eléctrica de los TE basados en capas metálicas continuas. Una estructura de los TEs, basada en una capa conductora ultradelgada de Cu, la cual puede ser fun
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