Neutronundersøgelse af selvsamlende solfangstfilm afslører nyt billigt værktøj til 3D-kredsløbsprint

Forskere fra Imperial College London, arbejder på Institut Laue-Langevin, har præsenteret en ny måde at placere nanopartikler i plastik, med vigtige anvendelser i produktionen af ​​belægninger og solcellematerialer, der høster energi fra solen. Studiet, præsenteret i Avancerede materialer (omslagsartikel), brugt neutroner til at forstå den rolle, som lys - selv omgivende lys - spiller i stabiliseringen af ​​disse notorisk ustabile tynde film. Som et proof of concept har holdet vist, hvordan kombinationen af ​​varme og lav intensitet synligt og UV-lys i fremtiden kan bruges som en præcis, billigt værktøj til 3D-print af selvmontering, tyndfilmskredsløb på disse film.

Tynde film, der består af lange organiske molekylekæder kaldet polymerer og fullerener (store fodboldformede molekyler, der udelukkende består af kulstof) bruges hovedsageligt i polymersolceller, hvor de udsender elektroner, når de udsættes for synlige eller ultraviolette solstråler. Disse såkaldte fotovoltaiske materialer kan generere elektrisk strøm ved at omdanne solstråling til jævnstrøm.

Polymersolceller er af væsentlig interesse for laveffektelektronik, såsom autonome trådløse sensornetværk, der bruges til at overvåge alt fra havtemperatur til stress inde i en bilmotor. Disse fulleren-polymerblandinger er særligt tiltalende, fordi de er lette, billig at lave, fleksibel, kan tilpasses på molekylært niveau, og relativt miljøvenlige.

Men nuværende polymersolceller tilbyder kun omkring en tredjedel af effektiviteten af ​​andre energihøstmaterialer, og er meget ustabile.

For at forbedre videnskabens forståelse af dynamikken i disse systemer og derfor deres operationelle ydeevne, holdet udførte neutronreflektometriske eksperimenter på ILL, verdens flagskibscenter for neutronvidenskab, på en simpel modelfilm lavet af rene fullerener med en fleksibel polymer. Neutronreflektometri er en ikke-destruktiv teknik, der giver dig mulighed for at 'barbere' lag af disse tynde film for at se på, hvad der sker med fullerenerne og polymererne separat, opløsning i atomskala, i hele deres dybde.

Mens tidligere teorier antydede, at tyndfilmstabilisering var forbundet med dannelsen af ​​et udstødt fulleren-nanopartikellag ved substratgrænsefladen, neutronreflektometriske eksperimenter viste, at kulstof-"fodboldene" forbliver jævnt fordelt i hele laget. I stedet, holdet afslørede, at stabiliseringen af ​​filmene var forårsaget af en form for foto-tværbinding af fullerenerne. Processen giver film større strukturel integritet, hvilket betyder, at ultratynde film, (ned til 10.000 gange mindre end et menneskehår) bliver let stabile med spormængder af fulleren.

Implikationerne af dette fund er betydelige, især i potentialet for at skabe meget tyndere plastikanordninger, som forbliver stabile, med øget effektivitet og levetid (mens den mindre mængde materiale, der kræves, minimerer deres miljøpåvirkning).

Lysfølsomheden antyder også et unikt og enkelt værktøj til at formidle mønstre og design til disse notorisk ustabile film. For at bevise konceptet brugte holdet en fotomaske til rumlig at kontrollere fordelingen af ​​lys og tilført varme. Kombinationen får fullerenerne til selv at samle sig i veldefinerede forbundne og afbrudte mønstre, på efterspørgsel, blot ved at varme filmen op, indtil den begynder at blive blød. Dette resulterer i spontan topografi og kan danne grundlag for et billigt værktøj til 3D-print af tyndfilmskredsløb. Andre potentielle anvendelser kunne omfatte mønstre af sensorer eller biomedicinske stilladser.

I fremtiden, holdet søger at anvende sine resultater på konjugerede polymerer og fullerenderivater, mere almindelig i kommercielle film, og industrielle tyndfilmsbelægninger.