Organiske elektroniske enheder kan udskrives på almindelige cd'er og dvd'er

(PhysOrg.com) -- Organisk elektronik - dem, der involverer kulstofbaserede ledere i stedet for det traditionelle kobber eller silicium - har en række fordele i forhold til metalelektronik, inklusive deres lette vægt, fleksibilitet, højere effektivitet, og lavere omkostninger. Men en af ​​de største ting, der holder dem tilbage, er manglen på en simpel, billig metode til mønstring og udskrivning af organiske materialer. Nu i en ny undersøgelse, et team af forskere fra USA og Australien har udviklet en mønsterteknik, hvor ledende polymerer kan printes med en billig infrarød laser på en almindelig cd eller dvd ved hjælp af den kommercielt tilgængelige LightScribe-teknologi.

Som R. Kaner fra University of California, Los Angeles, sammen med G. Wallace fra University of Wollongong, Australien, og medforfattere forklarer i deres undersøgelse i et nyligt nummer af Nano bogstaver , den enkle, men effektive polymermønsterteknik kunne drive mange nuværende proof-of-concept organiske enheder til storskalaproduktion. Disse enheder omfatter organiske lysemitterende dioder, organiske tyndfilmstransistorer, og organiske mikroaktuatorer.

LightScribe, som blev udviklet af ingeniører hos Hewlett-Packard, bruger den infrarøde laser inde i et cd/dvd-drev til at optage data på en cd- eller dvd-disk, samt udskrive etiketter med tekst og billeder på overfladen af ​​diskene. For at lave disse etiketter, laseren pulserer op og ned for kemisk at aktivere en specialiseret farvestofbelægning på diskens overflade.

I stedet for at udskrive på denne specialiserede belægning, her dækkede forskerne disken med en film af ledende polyanilin nanofibre, som derefter kan udskrives direkte på. Når lyset fra den infrarøde laser absorberes af den nanostrukturerede polyanilin, der opstår en usædvanlig fototermisk effekt, hvor polymeren omdanner det meste af sit absorberede lys til varme.

Den genererede varme "lasersvejser, ”Eller tværbindinger, de molekylære kæder og supramolekylære fibre sammen for at ændre overflademorfologien af ​​et lille område af polymeren. Efter laserbehandling, det svejsede område af polymeren skifter fra en sammenfiltret nanofibermåtte til en glat, kontinuerlig film som følge af kemisk tværbinding. Da polyanilin -nanofibre er dårlige varmeledere, varmen spreder sig ikke ud over laserlinjerne, hvilket resulterer i en veldefineret adskillelse mellem de svejste og ikke-svejsede områder. Laserlinjen, der udsendes af den infrarøde laser i CD/DVD-drevet, har en diameter på omkring 0,7-1 µm, giver mulighed for enestående opløsning og præcision.

Ud over den høje opløsning, lasersvejsemetoden giver også en høj grad af kontrol over den svejsede ledende polymers ledningsevne og optiske egenskaber, hvilket ikke er muligt med tidligere tilgange til polymermønster. Svejste områder viser et signifikant fald i filmledningsevne, som forskerne tilskriver tabet af dopingmidler og pi-konjugering under tværbindingsprocessen. De viser, hvordan udskrivning i gråtoner kan justere polymerens ledningsevne, med lysere gråtonefarver med højere ledningsevne. Med evnen til at udskrive gråtonefarver fra hvid til sort, forskerne kunne tune polyanilin nanofiberfilmen fra halvleder til isolator, repræsenterer en ændring i ledningsevne på omkring 7 størrelsesordener.

Selvom ideen om at bruge et kommercielt etiketskrivningssystem til at printe organiske elektroniske enheder lyder ret simpelt, Veronica Strong fra University of California, Los Angeles, forklaret, at det ikke gør det til det oplagte førstevalg for et forskningslaboratorium.

"Der er flere grunde til, at denne teknik ikke er blevet demonstreret før, ” fortalte hun PhysOrg.com . "En af disse grunde er, at da vi begyndte vores første test, LightScribe havde kun eksisteret i mindre end seks år. Endnu, vigtigere, denne type teknologi findes ikke traditionelt i laboratoriemiljøer, og det ville heller ikke være den første ting, man tænker på, når man afprøver ideer. Kombination af denne teknologi med ledende polymerer ville have krævet en forskergruppe, der specifikt var på markedet for en ny mønstreteknik og egenskabstuning af ledende polymerer. Vores gruppe gjorde præcis det, da ideen først blev foreslået; faktisk, vi havde lige opbrugt alle de laserteknologier, der traditionelt bruges i laboratoriemiljøer. Så da en medarbejder foreslog en dvd-afspiller med LightScribe-teknologi, jamen vi var bare nødt til at prøve det."

Blandt dets potentielle anvendelser, den nye teknik kan også føre til ansøgninger gennem doping. Forskerne fandt ud af, at de svejsede områder ikke længere reagerer på reversibel doping/dedoping med syrer eller baser, mens de ikke-svejsede områder fortsat er påvirket af doping. Denne egenskab kan være særlig nyttig til at mønstre genopladelige elektroder til batterier eller superkondensatorer, som drager fordel af selektiv doping for at muliggøre hurtige opladnings-/afladningshastigheder.

Forskerne demonstrerede også, at polymerens farve kan kontrolleres ved at kontrollere visse egenskaber, såsom startoxidationstilstanden, laserintensiteten, og omfanget af tværbinding. Også, forskellige polyanilinderivater absorberer lys forskelligt, hvilket fører til yderligere farvevariationer.

I fremtiden, forskerne planlægger at videreudvikle denne idé ved at fremstille elektronisk aktive enheder. De forudser, at den simple lasersvejseteknik vil tjene som et vigtigt skridt hen imod mønsterdannelse af polymerbaseret organisk elektronik i stor skala. Teknikken kan bruges til at mønstre en række ledende polymer nanofibre ud over polyanilin, og disse polymerer kan printes på mange forskellige substrater, inklusive papir. Stort set ethvert mønster kan printes, og det samme billede kan udskrives gentagne gange på den samme film for at øge kontrasten. Uden behov for fotoresists, masker, eller efterbehandlingsbehandling som mange andre teknikker, den nye metode tilbyder en et-trins tilgang, der potentielt kan have meget brede konsekvenser.

"I øjeblikket, denne teknik ville være særlig nyttig til fremstilling af bedre ledende membraner, mikrofluidik, og helt organiske elektroniske enheder, " sagde Strong. "Den intellektuelle drivkraft bag dette arbejde var at demonstrere, at vi i øjeblikket har de nødvendige værktøjer til at gøre omkostningseffektive, fleksible organiske og elektronisk aktive enheder. Vi håber, at vi kan hjælpe med at drive den out-of-the-box tænkning ved at udvikle nye metoder, der bruger vores ideer til fremstilling af enheder."

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.