Ny computermodel vil hjælpe med at designe fleksible berøringsskærme

Elektroniske enheder med touchskærme er allestedsnærværende, og en vigtig del af teknologien gør dem mulige:gennemsigtige ledere. Imidlertid, omkostningerne og de fysiske begrænsninger af det materiale, disse ledere normalt er lavet af, hæmmer udviklingen i retning af fleksible touchscreen-enheder.

Heldigvis, et forskningssamarbejde mellem University of Pennsylvania og Duke University har vist en ny måde at designe gennemsigtige ledere ved hjælp af metal nanotråde, der kunne muliggøre billigere – og fleksible – touchskærme.

Forskningen blev udført af kandidatstuderende Rose Mutiso, bachelor Michelle Sherrott og professor Karen Winey, hele Institut for Materialevidenskab og Teknik i Penns School of Engineering and Applied Science. De samarbejdede med kandidatstuderende Aaron Rathmell, og professor Benjamin Wiley fra Duke's Department of Chemistry.

Deres undersøgelse blev offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

Det nuværende industristandardmateriale til fremstilling af transparente ledere er indiumtinoxid, eller ITO, som afsættes som to tynde lag på hver side af en separatorfilm. Kontakt, i form af en fingerspids eller en stylus, ændrer den elektriske modstand mellem de to ITO-lag nok til, at enheden kan registrere, hvor brugeren rører ved. Selvom dette materiale fungerer godt, dens ulemper har fået industrielle og akademiske forskere til at lede efter alternativer.

"Der er to problemer med ITO; indium er relativt sjældent, så dets omkostninger og tilgængelighed er uregelmæssige, og, endnu vigtigere for fleksible enheder, det er skørt, " sagde Winey. "Vi vil gerne lave touchskærme, der bruger et netværk af tynde, fleksible nanotråde, men det har været en udfordring at forudsige og optimere egenskaberne af disse nanoskala netværk."

Metal nanotråde er stadig billigere at fremstille og deponere; de er suspenderet i en væske og kan let males eller sprøjtes på et fleksibelt eller stift underlag, i stedet for at vokse i vakuum, som det er tilfældet for ITO. Udfordringen stammer fra det faktum, at denne proces danner et tilfældigt netværk, frem for et ensartet lag som ITO.

Et ensartet arks overordnede kvalitet i denne sammenhæng afhænger kun af to parametre, som begge pålideligt kan udledes af bulkmaterialets egenskaber:dets gennemsigtighed, som burde være høj, og dens samlede elektriske modstand, som burde være lav. For at bestemme de elektriske egenskaber for et netværk af nanotråde, imidlertid, man skal kende nanotrådenes længde og diameter, det område de dækker og en egenskab kendt som kontaktmodstand, som er mængden af ​​modstand, der er resultatet af elektroner, der bevæger sig fra en ledning til en anden. Detaljerne om, hvordan disse fire uafhængige parametre påvirker de elektriske og optiske egenskaber af nanowire-netværk har været uklare.

"Det betyder, at folk vil syntetisere nanotråde, indsætte dem i et netværk, måle netværkets samlede elektriske modstand og optiske egenskaber og derefter hævde sejren, når de får en god en, " sagde Winey. "Problemet er, at de ikke ved, hvorfor de gode er gode, og, værre, de ved ikke nødvendigvis, hvorfor de dårlige er dårlige."

For eksempel, lav samlet modstand kunne være resultatet af en bestemt syntesemetode, der producerede nogle få uventet lange nanotråde, eller en behandlingsmetode, der reducerede kontaktmodstanden mellem nanotråde. Uden en måde at isolere disse faktorer på, forskere kan ikke afgøre, hvilken kombination af parametre der vil være mest succesfuld.

Wineys gruppe har tidligere arbejdet med at simulere nanotrådsnetværk i tredimensionelle nanokompositter, især antallet af nanotråde, der skal til for at sikre, at der er en forbundet vej fra den ene ende af systemet til den anden. Duke's Wiley noterede sig dette arbejde og kontaktede Winey, spørger hende, om hun ville være interesseret i at udvikle to-dimensionelle simuleringer, der kunne anvendes på data fra sølv nanowire-netværk, som hans gruppe havde fremstillet.

Med Wileys gruppe i stand til at levere nanotrådslængden, diameter og arealbrøkdel af deres netværk, Wineys team var i stand til at bruge simuleringen til at arbejde baglæns fra netværkets samlede elektriske modstand for at afdække den uhåndgribelige kontaktmodstand. Alternative metoder til at finde kontaktmodstanden er besværlige og uforenelige med typiske netværksbehandlingsmetoder.

"Når vi har pålidelige og relevante kontaktmodstande, vi kan begynde at spørge, hvordan vi kan forbedre den overordnede arkmodstand ved at ændre de andre variable, " sagde Mutiso. "Ved at lege med denne simulation, vi kan se, hvor meget bedre vores netværk bliver, når vi øger længden af ​​nanotrådene, for eksempel."

Penn-teamets simulering giver yderligere bevis for hver variabels rolle i det overordnede netværks ydeevne, hjælper forskerne med at finde den rigtige balance mellem egenskaber til specifikke anvendelser. Forøgelse af dækningsområdet for nanotråde, for eksempel, reducerer altid den samlede elektriske modstand, men det mindsker også den optiske gennemsigtighed; efterhånden som flere og flere nanotråde stables på netværkene, fremstår de grå, snarere end gennemsigtig.

"Til specifikke applikationer og forskellige typer nanotråde, den optimale arealfraktion vil være anderledes, " sagde Winey. "Denne simulering viser os, hvor mange nanotråde vi skal bruge for at nå Goldilocks-zonen, hvor du får den bedste blanding af gennemsigtighed og modstand."

Fremtidige samarbejder mellem Wineys team i Penn og Wiley-gruppen i Duke vil bruge denne simulering til at teste effekten af ​​forskellige behandlingsteknikker på nanotråde, at indkredse effekten af ​​forskellige behandlingsmetoder efter aflejring har på kontaktmodstanden og i sidste ende på den samlede arkmodstand.

"Vi kan nu lave rationelle sammenligninger mellem forskellige ledninger, samt forskellige behandlingsmetoder for forskellige ledninger, at finde den laveste kontaktmodstand uafhængig af nanotrådslængde, diameter og arealfraktion, " sagde Winey. "Nu hvor vi ved, hvor alle håndtagene er, vi kan begynde at justere dem én ad gangen."

I den næste generation af modelleringsstudier, Penn-teamet vil overveje adskillige yderligere parametre, der medvirker til ydeevnen af ​​nanowire-netværk til transparente ledere, inklusive nanotrådsretning, at efterligne nanotrådsnetværk produceret ved forskellige kontinuerlige deponeringsmetoder, samt i hvilken grad individuelle nanotråde varierer i længde eller diameter.