Optimisation des réseaux de nanofils d'argent comme électrodes transparentes : contributions fondamentales et expérimentales

Optimization of silver nanowire networks for transparent electrodes : fundamental and experimental contributions

• Auteur / Autrice : Laetitia Bardet
• Direction : Daniel Bellet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, électrochimie, génie civil
• Date : Soutenance le 10/03/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des matériaux et du génie physique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Alain Sylvestre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Simonato, Matthias Pauly, Ngoc Duy Nguyen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aline Rougier, Stéphane Collin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation des données (informatique)

Électrodes transparentes

Mots clés libres

Nanofil métallique

Matériau transparent et conducteur

Procédé d'optimisation

Modélisation

Expérience in situ

Metallic nanowire

Transparent conductive materials

Process optimization

Modeling

In situ experiments

Résumé

Les électrodes transparentes (TEs) sont des composants indispensables à de nombreux dispositifs tels que les cellules solaires, les films chauffants transparents ou les écrans tactiles. L’oxyde d’indium et d’étain (ITO) est la TE la plus utilisée à l’échelle industrielle. De par la disponibilité en quantité limitée de l’indium et sa fragilité, les TEs à base d’ITO ne répondent plus totalement aux exigences de la future génération de TEs. Dans ce contexte, les réseaux de nanofils d’argent (AgNWs) apparaissent comme une alternative pertinente. Cependant, leur intégration est compromise notamment par leur instabilité morphologique et le contact électrique entre les jonctions de nanofils. L’objectif principal de ce travail de thèse est de contribuer à une compréhension approfondie des propriétés et limites des réseaux d’AgNWs pour une meilleure intégration dans les dispositifs. Dans un premier temps, l’optimisation de la résistance électrique des réseaux d’AgNWs a été étudiée en comparant deux traitements post-dépôt: le recuit thermique et la soudure à froid induite par force capillaire. Ce dernier requiert une température de 100°C, bien inférieure à celle utilisée pour un recuit thermique classique. Ces deux traitements conduisent à une conductivité électrique similaire à l’échelle du réseau mais aussi au niveau des jonctions entre les AgNWs. Dans un second temps, l’amélioration de la stabilité de ces réseaux a été étudiée en fabriquant des nanocomposites avec une couche d’oxyde d’étain amorphe, déposée à 200°C, par la méthode "Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposition". Un modèle physique a été introduit pour décrire le comportement réversible des réseaux d’AgNWs pendant un stress électrique. Ce modèle simple permet de prédire l’élévation de température par effet Joule, dans le domaine réversible, en fonction de la tension appliquée et de la résistance initiale du réseau. Par ailleurs, une étude approfondie de l’évolution des propriétés structurales et électriques des réseaux d’AgNWs au cours d’un stress thermique a été réalisée en effectuant des mesures in situ de diffraction des rayons X et de résistance électrique. Pour finir, l’intégration des réseaux d’AgNWs a été explorée en tant que film mince de basse émissivité, prometteur pour de nombreuses applications dont l’objectif est de réduire les pertes de chaleur. Ce travail de thèse contribue donc de manière significative à l’avancement tant scientifique que technologique des réseaux d’AgNWs pour leur potentielle intégration industrielle.

Transparent electrodes (TEs) are key components of many devices such as solar cells, transparent heaters or touch screens. Indium tin oxide (ITO) has been the most implemented TEs within these devices. However, ITO thin films do not fulfil all the requirements of the next generation of flexible optoelectronics because of their indium scarcity and brittleness. In that context, silver nanowire (AgNW) networks appear as a relevant alternative to ITO thin films. However, their efficient integration for the next generation of flexible TEs is mainly compromised by their morphological instability and their nanowire-nanowire junction resistance. The main goal of this thesis work is to contribute to a better understanding of both properties and limitations of AgNW networks. First, conventional thermal annealing and capillary-force-induced cold-welding treatments are compared regarding the optimization of network resistance.Moreover, cold-welding treatment can be performed at a temperature of 100°C. Both post-deposition treatment exhibit similar efficiency for optimizing electrical resistance, at both the macroscale and nanoscale. Then, the stability of these networks has been successfully enhanced by protecting them with an amorphous tin oxide layer deposited by Atmospheric Pressure Spatial Atomic Layer Deposition, at 200°C. A physical model is introduced describing the in situ reversible behaviour of AgNW networks when subjected to electrical stress. This simple model enables us to predict the associated Joule heating temperature for any applied voltage and initial network resistance. In addition, an in-depth investigation of the evolution of both in situ structural and electrical properties of AgNW networks during thermal stress have been carried out thanks to both in situ X-ray diffraction and in situ electrical resistance measurements. Finally, the integration of AgNW networks as infrared low-emissivity coating is explored. We clearly believe that this work significantly contributes to maturing AgNW network science and technology for industrial requirements.