Silver nanowire networks : effects of percolation and thermal annealing on physical properties

par Daniel Langley

Thèse de doctorat en Ingénierie, matériaux mécanique énergétique

Sous la direction de Daniel Bellet et de Ngoc Duy Nguyen.

Soutenue le 28-10-2014

à Grenoble en cotutelle avec l'Université de Liège , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire des matériaux et du génie physique (laboratoire) , Laboratoire des matériaux et du génie physique (laboratoire) et de Laboratoire de physique des solides , interfaces et nanostructures (laboratoire) .

Le président du jury était Joël Courbon.

Le jury était composé de Daniel Bellet, Ngoc Duy Nguyen, Jean-Yves Raty, Mona Treguer-Delapierre, Jean-Pierre Simonato.

Les rapporteurs étaient Vladimir Lysenko, Catherine Henrist.

  • Titre traduit

    Réseaux de nanofils de argent : effets de percolation et recuit thermique sur les propriétés physiques


  • Résumé

    L'utilisation de matériaux conducteurs transparents (TCM) a rapidement augmenté au cours des deux dernières décennies en raison de la demande croissante liée à l'usage d'appareils électroniques personnels ainsi qu'au développement de cellules solaires à base de couches minces. Jusqu'à présent, le TCM le plus couramment utilisé a été l'oxyde d'indium et d'étain (ITO), mais l'indium est une terre rare dont l'environnement géopolitique lié à son approvisionnement et à sa production est complexe. En outre, la famille des oxydes transparents conducteurs possèdent de médiocres propriétés mécaniques (associée à une fragilité mécanique) et exige souvent pour leur dépôt soit une synthèse à haute température (> 400 ° C) soit des procédés sous vide. Pour ces raisons, la recherche au cours des dernières années a mis l'accent sur la recherche de TCM alternatifs afin de remplacer l'ITO. Cette thèse s'ancre sur une double approche combinant simulations numériques et des expériences pour explorer le dépôt et l'optimisation des réseaux de nanofils d'argent pour une utilisation comme électrode transparente d'une part et d'améliorer la compréhension de leurs propriétés physiques d'autre part. L'approche par simulation concerne la modélisation de la percolation de réseaux de nanofils 2D tandis que la composante expérimentale explore les propriétés électriques et optiques des réseaux de nanofils d'argent et notamment le comportement de la résistance électrique lors de recuits thermiques. Nous présentons dans ce travail la modélisation 2D de la percolation de systèmes initialement composés de bâtonnets parfaits au sein d'un réseau idéal, puis l'étude de l'influence de paramètres tels que: la distribution des longueurs de bâtonnets, des distributions angulaires ou de la courbure de ces bâtonnets. Nous nous sommes aussi intéressés à la divergence de la densité critique nécessaire pour observer la percolation au sein de systèmes de petite taille (vis-à-vis de la longueur des bâtonnets). Par ailleurs un travail préliminaire sur la simulation de l'efficacité de collecte (ou d'injection) de charges par un réseau de nanofils est présenté. Le volet expérimental fournit une analyse de l'influence de la longueur des fils, de leur diamètre, de la densité du réseau et enfin de la méthode de dépôt sur les propriétés optiques et électriques des réseaux de nanofils d'argent. Une étude approfondie de l'effet de recuit thermique sur les propriétés des réseaux a été réalisée qui a révélé plusieurs mécanismes qui sont à l'origine de la diminution initiale de la résistance électrique à relativement basse température puis la divergence de la résistance électrique observée à haute température. Une observation originale a permis de révéler un phénomène de percolation géométrique quantifiée pour les réseaux peu denses qui a été associé à la présence de chemins efficaces de percolation indépendants. Ce travail permet de conclure que les réseaux de nanofils d'argent constituent une solution intéressante pour une utilisation comme électrode transparente en remplacement de l'ITO ; notamment car ils ont des propriétés mécaniques supérieures et peuvent atteindre des propriétés électro-optiques comparables voire même supérieures.


  • Résumé

    The use of transparent conductive materials (TCMs) has rapidly increased in the last two decades as a result of increasing demand for personal electronic devices and the development of thin film based solar cells. To date the most commonly used TCM is indium tin oxide (ITO), however indium is a rare earth metal with a complex geopolitical environment surrounding its supply and production. Furthermore the oxide family suffers from poor mechanical properties such as brittleness and generally requires either high temperature synthesis (>400°C) or vacuum processes for their deposition. For these reasons, research in recent years has focused on searching for a TCM to replace ITO. This thesis uses a dual approach combining simulations and experiments to explore the fabrication and optimisation of silver nanowire networks for use as a TCM and to improve the understanding of their physical properties. The simulation component focuses on the application of percolation modelling to 2D nanowire networks while the experimental component explores the electrical and optical properties of silver nanowire networks and their electrical behaviour under thermal annealing. We present in this work the modelling of 2D stick percolation systems initially composed of perfect idealised sticks, and then investigate the influence of parameters such as: length distributions, angular distributions or curved nanowires. We address the divergence of the critical density for the onset of percolation observed for small system sizes and introduce some preliminary work on simulating the collection (or injection) efficiency of charges by a nanowire network. The experimental component provides a discussion of the impact of wire length, wire diameter, network density and fabrication technique on the optical and electrical properties of silver nanowire networks. An in-depth study of the effect of thermal annealing on the networks properties was undertaken which revealed several mechanisms that were responsible for the initial reduction of resistance and final loss of conductivity observed. An original observation enables the revelation of geometrical quantized percolation for rather sparse networks. Finally we conclude that silver nanowire networks are an excellent prospect for a TCM to replace ITO, they have superior mechanical properties and can achieve comparable and even superior electro optical properties.


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