Roll-up fjernsyn og bøjelige smartphones:Fremtiden for fleksible elektroniske materialer

Har du hørt om foldbare smartphones? Hvad med den fleksible tv -skærm, der ruller op i en kasse? Eller de ultratynde "tapet" -tv, der bare er millimeter tykke?

En fremtid med foldbar, bøjelig, fleksibel og ultratynd elektronik er hurtigt ved at blive vores nutid. Materialerne, der er ansvarlige for disse forbrugsvarer, er typisk polymerer - plast - der leder elektricitet. For bedre at forstå denne lovende klasse af stoffer, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) udviklede en teknik, der bruger lys til hurtigt og præcist at teste materialers ledningsevne - og potentielt afsløre adfærd, som andre metoder ikke kunne. Nu, NIST-teamet har demonstreret den yderligere anvendelighed af denne lysbaserede metode ved at bruge den til at afdække adfærd i en polymer, som ingen havde set før.

Forskerne rapporterer deres resultater i dag i Journal of Physical Chemistry C .

Værket er NISTs seneste bidrag til søgen efter at udvikle måleværktøjer til at studere nye materialer til brug i alle forskellige former for elektronisk transmission, fra bøjelige biosensorer til mobiltelefoner og solceller.

"Der er et voksende marked for fleksible skærme og smartphones, og holde tingene mindre mere fleksibel og lettere at masseproducere, "sagde Tim Magnanelli, NIST forskningskemiker og National Research Council postdoktor. "Strømlining af konduktivitetstestprocessen kan være meget værdifuld for brancheforskere, der bare vil vide, "Går vi i den rigtige retning med en særlig ændring? Gør dette materialet bedre? '"

Plast, der leder elektricitet

De fleste forbrugerapparater som f.eks. Bærbare computere og endda computere i vaskemaskiner er baseret på siliciumteknologi. Silicium er et glimrende materiale til styring af ledning af elektricitet på grund af den lethed, hvormed "ladningsbærere" er i stand til at bevæge sig inden i en siliciumkrystal. Negative bærere er elektroner; positive bærere betegnes som "huller" og er steder, hvor der mangler en elektron.

Selvom plast er blevet undersøgt og meget udbredt siden 1800 -tallet, ledende plast er kun lige begyndt at blive brugt til almindelig kommerciel elektronik. De har en tendens til at være noget mindre effektive end silicium til at lede elektricitet, hvilket betyder, at der generelt er mindre bevægelse af ladningsbærerne inden i materialerne. Imidlertid, plast er ikke kun fleksibelt, hvor silicium er stift, de er også lettere og mere tilpasselige og er ofte billigere og lettere at fremstille. De kan endda være gennemsigtige.

Den typiske måde at teste et materiales ledningsevne på er at lodde kontakter på det. Men mens kontakter fæstner godt til silicium, det er ikke altid muligt at få en god forbindelse til en polymer. Selv med en god forbindelse, der kan stadig være defekter i overfladen af ​​materialet, der ændrer dets målte ledningsevne. Anvendelse af kontakter til hver prøve tager også tid, forlænge testprocessen og potentielt forhindre producenter i at bruge prøven som en komponent i enheden.

For at løse disse spørgsmål, for et par år siden designet NIST -forskerkemiker Ted Heilweil en hurtig, berøringsfri måde at måle retningsbestemt ledningsevne, der er afhængig af to slags lys. Først, han bruger ultrakorte pulser af synligt lys til at skabe elektroner og huller i en prøve. Derefter, han belyser prøven med polariseret terahertz (THz) stråling, som har en bølgelængde meget længere end det menneskelige øje kan se, i det fjerne infrarøde til mikrobølgeområde.

I modsætning til synligt lys, THz lys kan trænge igennem selv uigennemsigtige materialer såsom relativt tykke polymerprøver og faste halvledere. Hvor meget af det lys, der trænger ind i prøven, afhænger af, hvor mange ladningsbærere der frit kan bevæge sig, angiver dens ledningsevne. Denne nye metode afslører også, om ladninger lettere bevæger sig gennem materialet i en bestemt retning.

Overraskelsesfund

I den seneste undersøgelse, Heilweil og Magnanelli bruger deres THz -metode for første gang på to ledende polymerer, valgt, fordi de er ligetil polymerer at studere og sammenligne. Den første, kaldet PCDTPT, er relativt ny. En kæde består af to forskellige molekyler, der er forbundet ende til ende og vekslende som farverne på en gummiorm. Et molekyle i kæden er en "donor, "som absorberer lys og producerer ladningsbærere. Det andet molekyle er en" acceptor, "som tiltrækker ladningsbærere, får dem til at bevæge sig langs kæden og rundt om prøven.

Den anden polymer testet i dette arbejde, kaldet P3HT, blev brugt til sammenligning, fordi det er blevet meget mere grundigt undersøgt. Den indeholder kun et gentaget molekyle og har et mere tilfældigt, mindre velordnet struktur, som PCDTPT. Sammenlignet med silicium, PCDTPT giver omkring tre størrelsesordener mindre ledning, og P3HT giver omkring fire størrelsesordener mindre.

Heilweil og Magnanelli testede først begge stoffer i form af nanofilmer - i det væsentlige en tynd, men solid prøve. Deres mål var at kontrastere de ledende egenskaber ved PCDTPT -filmen, når de undersøges langs vs. på tværs af strengene.

Så de, suspenderede begge molekyler i en ikke-ledende væske, der forhindrede dem i at interagere elektronisk og kommunikere med hinanden. Som forventet fra tidligere forsøg, P3HT -opløsningen viste ingen målbar ledningsevne.

Til deres overraskelse, imidlertid, PCDTPT -løsningen viste konduktivitet. Ikke kun det, men den viste lige så meget ledningsevne i opløsning som i fast form.

"Det var forbløffende, "Sagde Heilweil." Den adfærd har vi aldrig set i nogen anden polymer før. "

Fordi PCDTPT -molekylerne var mere isolerede fra hinanden i den flydende prøve, fundet indebærer for forskerne, at ledningsevnen i PCDTPT sker inden for og langs individuelle polymertråde (dvs. inden for en enkelt gummiorm), ikke mellem polymertråde (dvs. mellem forskellige gummiorme), i modsætning til hvad de fleste forskere tidligere troede.

"Vi kunne ikke have opdaget disse oplysninger ved hjælp af den konventionelle, kontaktbaseret metode, "Sagde Magnanelli.

NIST -fysiker Lee Richter og gæsteforsker Sebastian Engmann, der forberedte prøverne, havde testet retningsbestemte polymermaterialer på den konventionelle måde, ved at anvende kontakter. Ved at bruge terahertz -metoden "tog det et skridt videre" ved at lade forskere "ikke bare overveje, hvad der foregår på overfladen, hvor du placerede kontakten, men i stedet for at se igennem hele laget, "Sagde Magnanelli.

Bevæger sig fremad, Heilweil og Magnanelli håber at undersøge egenskaberne ved lignende kommercielt tilgængelige polymerer og andre opnået af Richter. PCDTPTs overraskende ledningsevne, når den suspenderes i en væske "kan være toppen af ​​isbjerget, fordi måske en anden polymer også vil have meget bedre ledningsevne end forventet, "sagde Magnanelli." Himlen er grænsen. "

Selvom hverken PCDTPT eller P3HT selv sandsynligvis vil være særligt nyttige til store elektroniske forbrugerudstyr, Heilweil understreger, at man stiller de rigtige spørgsmål - ved at finde nye og bedre måder at designe på, orientere og måle materialegenskaber - kan vise forskere, at et tidligere uinteressant materiale kan udføre meget bedre end nogen havde indset.

"Forudsigelsen kan være, at selvom vi stadig er i barndommen med hensyn til at forstå, hvordan disse polymerer opfører sig, vi kunne komme til et punkt, hvor de er så gode, at de endda konkurrerer med silicium, "Sagde Heilweil." Det er et langt skud, men meget muligt. "