Reduced Graphene Oxide Wrapped Metal Alloy Nanowires toward Flexible Transparent Conductive Electrodes with Enhanced Stability

Abstract

Transparent conductive electrodes (TCEs) are an essential component for various optoelectronic devices. Indium tin oxide (ITO) is the conventional material for TCEs, although it displays some limitations in the application for flexible devices. Accordingly, metal nanowires such as silver nanowires (AgNWs) and copper nanowires (CuNWs) have received particular attention as promising flexible TCE materials. Exploratory works have actively demonstrated the improvement of the stability of metal nanowires using shell layer or carbon materials-metal nanowire hybrid materials and applying them to optoelectronic devices. Here, we developed highly stable metal alloy nanowire (NW)-based TCEs capped with reduced graphene oxide (rGO) for substituting ITO. CuNWs were covered with Ag nanoparticles by galvanic displacement reaction to prevent Cu surface from oxidation in air. With an increase of the amount of Ag on CuNWs, the resulting transmittance, conductivity and figure of merit (FOM) values were observed to decrease, whereas the thermal stability could be improved. After introducing rGO to copper-silver alloy NW (Cu-AgNW) TCEs, transmittance, electrical conductivity, FOM and thermal stability were enhanced. rGO/Cu-AgNW TCEs achieved a sheet resistance of 10.04 Ω/□, transmittance of 94.75% at λ = 550 nm and FOM of 686.9. Finally, we expect that our advanced TCEs can be used as ITO alternatives in optoelectronic devices.;오늘날 투명전극은 다양한 광전소자에 필수적인 요소로 대표적으로 ITO가 많이 사용된다. 하지만 이는 기계적 강도가 낮다는 점 때문에 유연 소자에 응용하는데 한계점이 있어 대체제로써 특히 은이나 구리 나노와이어와 같은 금속 나노와이어가 주목 받고 있다. 금속 나노와이어의 장기적 안정성을 향상시키기 위해 와이어 표면에 껍질층을 도입하거나 탄소소재와 금속 나노와이어 혼성 물질을 개발하는 연구 및 광전 소자로 응용시키는 연구 결과가 활발히 진행되고 있다. 이러한 연구 동향을 바탕으로 본 연구에서는 갈바니 치환 반응을 이용하여 구리-은 합금 나노와이어를 합성하고 이를 환원된 그래핀 산화물과 혼성화하는 연구를 정리하였다. 이러한 개념과 방법론에 의거하여 궁극적으로 장기적 안정성을 높인 ITO 대체 유연 투명전극을 제시하였다. 구리 나노와이어 내에 은의 함량이 높아짐에 따라 투과도와 전기전도도, 성능 지수 (FOM) 값은 감소하는 양상을 보이지만 열적 안정성은 높아지는 경향을 보였다. 또한 구리-은 합금 나노와이어 투명전극에 환원된 그래핀 산화물을 도입한 경우 전극의 투과도와 전기전도도, 성능지수 (FOM) 뿐만 아니라 열적 안정성이 높아지는 경향을 보였다. 환원된 그래핀 산화물이 도입된 구리-은 합금 나노와이어 투명전극은 유연성을 비롯하여 면저항 10.04 Ω/□, 550 nm 파장에서 투과도 94.75%, FOM 686.9 등의 우수한 특성을 지녀 ITO에 비해 여러 물성에서 전반적으로 더 나은 성능을 보였다. 결론적으로 본 연구에서 도출한 그래핀 산화물로 도포된 합금 나노와이어 소재는 ITO의 대체제로써 다양한 유연 광전자소자에 응용될 수 있는 가능성을 볼 수 있다.