Läbipaistev elektrood

Läbipaistev elektrood on elektrit juhtiv ja optiliselt läbipaistev materjal. Esimene läbipaistev elektrood valmistati kaadmiumoksiidist (CdO) 20. sajandi algul, kuid 1970. aastatel hakati läbipaistvaid elektroode intensiivsemalt uurima. Läbipaistvaid elektroodmaterjale kasutatakse vedelkristallkuvarites, päikesepatareides, valgusdioodides ja ka näiteks akendes, kus klaasi läbipaistvust saab reguleerida elektrivälja abil. Kõigis neis rakendustes kannavad nad elektroodi rolli kile vormis. Läbipaistvad juhtivad oksiidmaterjalid (TCO: transparent conducting oxides) on levinuim läbipaistvate elektroodide materjalide klass. TCO materjalid omavad tavaliselt laia keelutsooni (Eg > 3 eV) ja juhtivust, mis on suurem kui 103 S/cm. Lai keelutsoon on vajalik, et nähtav valgus ei neelduks materjalis. Kõige levinum taoline materjal on kristalne tinaga dopeeritud indiumoksiid (ITO: tin-doped indium oxide). Indium on suhteliselt haruldane ja selle tõttu kallis element, mis on kiirendanud alternatiivide leidmise protsessi. Laboritingimustes on valmistatud ka läbipaistvaid transistore indiumivabalt. Elektroodidena kasutati alumiiniumiga dopeeritud tsinkoksiidi (AZO: aluminum-doped zinc-oxide) ning paisudielektrikuna hafniumoksiidi. Fluoriga dopeeritud tinaoksiidi (FTO: fluorine-doped tin oxide) on pikemat aega kasutatud klaasi katmiseks, et saavutada peegeldumine infrapuna piirkonnas. See materjal on samuti kasutusel läbipaistva elektroodina, millega kaetakse aastas enam kui 4000 km2 klaasi. Levinud TCO materjalid, nagu ITO, FTO ja ZnO, võivad kergesti puruneda, delamineeruda ja kannatada pingete all, mis omakorda muudab painduvate optoelektroonika komponentide omadusi. Juhtivpolümeeride avastamine 1980. aastatel tekitas uue hüpoteetilise rakenduse võimaluse – painduvad elektroonikaseadmed. Painduvate juhtivpolümeeride kasutamine elektroodidena annab suur eelis haprate keraamiliste oksiidelektroodide ees. Leiti, et polü(3,4-etüleendioksütiofeen) polüstüreensulfonaat, lühidalt PEDOT:PSS, on õhukese kilena hea elektrijuht ning läbipaistev optilises diapasoonis. Näiteks PEDOT:PSS esimene oluline rakendus oli kasutus filmilindis antistaatilise kihina. Ka polüaniliin on üks näide juhtivatest polümeeridest, mida on võimalik muuta läbipaistvaks tootmisprotsessi käigus. Viimase 10–15 aasta jooksul on pidevalt ja väga intensiivselt uuritud ja arendatud nanomaterjale. Eriti pööratakse tähelepanu nanomaterjalide elektrilistele, soojuslikele ja mehaanilistele omadustele nii mikrotasemel kui ka makrotasemel. Sellised nanomaterjalkiled on pinna tasandis väga heade elektriliste omadustega. Läbipaistev elektrood on nanomaterjalide üks lihtsamaid rakendusi. Nanomaterjalidest on süsiniknanotorusid, üks süsiniku allotroopidest, kõige enam uuritud. On leitud, et nad on väga head elektrijuhid, ning õhukese kihina tekkinud võrgustik on ka läbipaistev. See on loonud võimaluse valmistada nanotorude suspensioon, mida saab kasutada juhtiva „tindina“, millest omakorda on võimalik katta pindasid nanotorude võrgustikuga. Tavaliselt on taolised võrgustikud (kiled) paar nanomeetrit kuni 50 nm paksud. Grafeen on samuti süsiniku üks allotroopidest, mis on ühe aatomi paksune süsinikuleht ning planaarselt väga hea elektrijuht. Sellist defektivaba grafeeni on keeruline saada, mistõttu tegeletakse puhta grafeeni saamise meetodite väljatöötamisega. Seni pole tehnoloogiat, et luua mõistliku hinna ja ajaga piisavalt suur grafeenileht, mida saaks kasutada läbipaistva elektroodina. Seega paljudest tükikestest koosnev grafeenoksiidkile tuleb enne redutseerida, et vähendada sp3 hübridisatsiooni määra, mis seeläbi tõstab juhtivust, mis omakorda muudab kile kasutatavaks elektroodina. Seega sarnaselt süsiniknanotorudega eksisteerib kaks lähenemist elektroodi juhtivuse parandamisele: sünteesiprotsessis materjali kõrgema puhtuse saavutamine ja elektroodi dopeerimine lisanditega, et suurendada laengukandjate kontsentratsiooni. On teada, et metallid on ühed parimad elektrijuhid tänu suurele vabade elektronide tihedusele. Läbipaistvate elektroodide valmistamiseks metallidest on kolm meetodit. Kui valmistada metallist õhuke, alla 10 nm paksusega kile, on see läbipaistev. Teine võimalus on luua peenikeste juhtmete võrgustik, mis on juhtiv, kuid samas eksisteerivad juhtmete vahel tühimikud, kust valgus läbi pääseb. Kolmandaks variandiks oleks ehitada sarnane võrgustik metall-nanotraatidest, kus traatide vahel on samuti tühimikud. Teise ja kolmanda variandi vahe on võrgustiku elementide tekitamise meetodite erinevus. Nanotraatide võrgutiku paksuse suurendamisel väheneb elektroodi takistus, kuid väheneb ka optiline läbipaistvus. Hõbeda nanotraadid on üks enim uuritud taolisi materjale tänu heale juhtivusele ja keskkonna vastupidavusele. Ainuke probleem on nanotraatide intensiivne oksüdeerumine atmosfääris leiduva H2S toimel. T.C. Yeh , Q. Zhu, D.B. Buchholz, A.B. Martinson, R.P.H. Chang, T.O. Mason, Amorphous transparent conducting oxides in context: Work function survey, trends, and facile modification, Applied Surface Science 330, 2015, 405-401 Transparent Conductive Oxide Thin Films Pradipta K. Nayak, Zhenwei Wang, and Husam N. Alshareef, Indium-Free Fully Transparent Electronics Deposited Entirely by Atomic Layer Deposition, Advanced Materials 28, 2016, 7736-7744 S. Hecht, Liangbing Hu, Glen Irvin, Emerging Transparent Electrodes Based on Thin Films of Carbon Nanotubes, Graphene, and Metallic Nanostructures, Advanced Materials vol. 23, Issue 13, 2011, 1482–1513