Electro-mechanical Reliability of CNT-based Conductive Films on Flexible Substrates

Leitfähige Bahnen oder Schichten auf flexiblen Substraten sind wesentliche Komponenten für die flexible Elektronik. Sie müssen bei äußeren Verformungen ihre elektrische Leitfähigkeit und mechanische Integrität erhalten. Leiterbahnen aus herkömmlichen Materialien wie Indiumzinnoxid (ITO) und Metallen haben auf flexiblen Substraten unter großen Dehnungen nur eine begrenzte Zuverlässigkeit gezeigt.

In diesem Zusammenhang könnten Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften eine vielversprechende Alternative sein. ... mehrEinige Studien haben berichtet, dass CNT-basierte Leiterbahnen auf flexiblen Substraten sehr großen Zugspannungen standhalten können. Es wurden jedoch nur sehr wenige systematische Studien zu ihrer elektromechanischen Zuverlässigkeit durchgeführt. Diese Doktorarbeit befasst sich mit dem elektromechanischen Verhalten von CNT-basierten Filmen bei statischen und zyklischen Verformungen und untersucht systematisch, die zugrundeliegenden Mechanismen für ihre hervorragende Zuverlässigkeit. Diese Erkenntnisse könnten für die Optimierung potenzieller flexibler Geräte unter Verwendung von CNTs wichtig sein.

CNT-basierte Leiterbahnen können durch Tintenstrahldruck oder Schleuderbeschichtung hergestellt werden. Als eines der Standardsubstrate für die gedruckte Elektronik wird eine Polyethylenterephthalat (PET)-Folie als Substrat verwendet. CNT-basierte Leiterbahnen konnten erfolgreich gedruckt werden. Die elektrische Leitfähigkeit ist jedoch durch den geringeren Gehalt an CNTs in der Tinte begrenzt. Daher wurde zur Erzielung einer besseren elektrischen Leitfähigkeit eine Schleuderbeschichtung von CNT-Dispersionen angewendet. Durch eine mehrschichtige Abscheidung wurde ein Schichtwiderstand von lediglich 400 Ohm/sq. erreicht.

Der wichtigste Teil dieser Doktorarbeit sind die statischen und zyklischen elektromechanischen Prüfungen sowie die Mikrostrukturcharakterisierung von CNT-basierten leitfähigen Filmen auf flexiblen Substraten. Es wurden Mikrozugversuche durchgeführt, um ihre Zuverlässigkeit unter statischen Zugspannungen zu testen, während Biegeermüdungsversuche durchgeführt wurden, um ihre Lebensdauer unter zyklischen Zugdehnungen zu bewerten. Um das elektromechanische Verhalten von CNT leitfähige Filmen unter Verformung zu untersuchen, wurden ihre Morphologie und änderungen der Mikrostruktur untersucht, indem verschiedene mikroskopische Charakterisierungsmethoden kombiniert wurden.

CNT leitfähige Schichte zeigen eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit bei hohen Dehnungen von bis zu 50%. Ihre Widerstands-Dehnungs-Abhängigkeit zeigt, dass ihre intrinsischen Leitfähigkeiten durch Strecken sogar verbessert werden. Ihre Dehnbarkeit von bis zu 50% wird durch die Überbrückungswirkung von CNTs über eventuell auftretende lokale Risse begünstigt. Biegeermüdungstests ergaben ferner sehr hohe Lebensdauern der CNT Schichten. Bei kleinen Dehnungsamplituden, von 1% bis 2%, sind die CNT leitfähigen Schichten bis zu 1 Million Biegezyklen frei von Ermüdungs-schädigung, und ihre intrinsischen Leitfähigkeiten werden sogar während der zyklischen Verformung aufgrund des Kohäsionseffekts verbessert. Bei einer höheren Dehnungsamplitude von 3% können CNT Schichten ihre elektrische Leitfähigkeit bis zu 200.000 Biegezyklen aufrechterhalten, und ihr Versagen ist nur auf die Ermüdung und den Gewaltbruch des Polymersubstrats zurückzuführen, was sich als der limitierende Faktor des ganzen Systems herausstellt. Diese Ergebnisse zeigten, dass die in dieser Studie verwendeten PET-Folien nicht die optimalen flexiblen Substrate für Biegebeanspruchungen sind und alternative Substrate, die bei höheren Dehnungsamplituden (z.B. > 3%) nicht ermüden und brechen, erforderlich sind.

Conductive traces or films on flexible substrates are essential components in flexible electronic devices. They have to sustain electrical conductivity and mechanical integrity during external deformation. Conductive traces from conventional materials, such as ITO and metals, have exhibited limited reliability on flexible substrates under large strains.

In this context, carbon nanotubes (CNTs) could be a promising alternative material due to their outstanding mechanical, electrical, and thermal properties. A few studies have reported that CNT-based conductive traces on flexible substrates can sustain very large tensile strains. ... mehrHowever, very few systematic studies regarding their electro-mechanical reliability have been conducted. This doctoral study is concerned with the electro-mechanical behavior of CNT-based conductive traces/films under static and cyclic deformation and systematically investigates the correlating mechanisms for their excellent reliability. These findings could be important for the development and optimization of potential flexible devices utilizing CNTs.

CNT-based conductive traces can be fabricated via inkjet printing or spin-coating. As one of the standard substrates for printed electronics, polyethylene terephthalate (PET) foils are used as polymeric substrates. Successful printing of CNT-based conductive traces has been achieved. However, the electrical conductivity is limited by the lower content of CNTs in the ink. Thus, for achieving better electrical conductivity, spin-coating of CNT dispersions has been adopted. By deposition of multiple layers, a sheet resistance as low as 400 Ohms/sq. for CNT-based conductive films has been achieved.

The most important part of this doctoral study is the static and cyclic electro-mechanical testing, as well as the microstructure characterization of CNT-based conductive films on flexible substrates. Micro-tensile tests with $\textit{in-situ}$ resistance measurements have been conducted to test their reliability under large tensile strains, whereas bending fatigue tests with $\textit{in-situ}$ resistance measurements have been performed to evaluate their reliability under cyclic tensile strains. In order to study the electro-mechanical behavior of CNT-based conductive films with applied mechanical strains, their surface morphology and microstructural changes before and after testing have been investigated by combining several microscopic characterization techniques, including scanning electron microscopy, focused-ion-beam microscopy, and helium ion microscopy.

CNT-based conductive films exhibit excellent reliability under large strains up to 50%, as demonstrated by micro-tensile tests. Their resistance-strain relationship showed that their intrinsic conductivities could even be improved by stretching. Their strainability up to 50% has benefited from the bridging effect of CNTs over eventually occurring local cracks. Bending fatigue tests further revealed very high lifetimes of CNT-based conductive films during cyclic bending fatigue. Under small strain amplitudes, such as 1% to 2%, the CNT-based conductive films are free of fatigue damage up to 1 million bending cycles, and their intrinsic conductivities are even improved during cyclic bending due to cohesion effect. For a higher strain amplitude of 3%, CNT-based conductive films can sustain their electrical conductivity up to 200,000 bending cycles, and their failure is only due to fatigue damage and total rupture of the polymeric substrate, which is found to be the bottleneck of the whole system. These results proved that the PET foils used in this study are not the optimal flexible substrates for bending conditions and alternative substrates, which will not fatigue and rupture at higher strain amplitudes (e.g. > 3%), are required.