Tilfældige nanotrådskonfigurationer øger ledningsevnen i forhold til stærkt bestilte konfigurationer

Forskere ved Lehigh University har for første gang identificeret, at en præstationsgevinst i den elektriske ledningsevne af tilfældige metal-nanowire-netværk kan opnås ved en smule at begrænse nanotrådsorienteringen. Det mest overraskende resultat af undersøgelsen er, at stærkt ordnede konfigurationer ikke udkonkurrerer konfigurationer med en vis grad af tilfældighed; tilfældighed i tilfælde af metal nanotråd orienteringer virker til at øge ledningsevnen.

Studiet, Ledningsevne af nanowire-arrays under tilfældige og ordnede orienteringskonfigurationer, er udgivet i det aktuelle nummer af Natur 's journal Videnskabelige rapporter . Forskningen blev udført af Nelson Tansu, Daniel E. '39 og Patricia M. Smith begavet Chair Professor i Lehigh's Center for Photonics and Nanoelectronics og Department of Electrical and Computer Engineering, og hovedforfatter Milind Jagota, en gymnasieelev i Bethlehem-området.

Gennemsigtige ledere er meget nødvendige til fladskærme, berøringsskærme, solceller, og lysdioder, blandt mange andre teknologier. I øjeblikket, Indiumtinoxid (ITO) er det mest udbredte materiale til gennemsigtige ledere på grund af dets høje ledningsevne og høje gennemsigtighed. Imidlertid, ITO-baseret teknologi har flere problemer. Materialet er knapt, dyre at fremstille og skøre, en særlig uønsket egenskab for alt, der bruges i denne moderne tidsalder af fleksibel elektronik.

Forskere, der søger efter en erstatning for ITO, bruger i stigende grad tilfældige netværk af metal nanotråde for at matche ITO i både gennemsigtighed og ledningsevne. Metal-nanotrådbaserede teknologier viser bedre fleksibilitet og er mere kompatible med fremstillingsprocesser end ITO-film. Teknologien, imidlertid, er stadig i en tidlig udviklingsfase, og ydeevnen skal forbedres. Nuværende forskning er fokuseret på effekten af ​​stangorientering på netværks ledningsevne for at forbedre ydeevnen.

I dette arbejde, Lehigh-forskere udviklede en beregningsmodel til simulering af metal nanotrådnetværk, hvilket skulle fremskynde processen hen imod idealisering af konfigurationen af ​​nanotråde. Modellen forudsiger eksisterende eksperimentelle resultater og tidligere offentliggjorte beregningsresultater.

Forskerne brugte derefter denne model til at udtrække resultater for første gang om, hvordan ledningsevnen af ​​tilfældige metal nanotrådnetværk påvirkes af forskellige orienteringsrestriktioner af varierende tilfældighed. To forskellige orienteringskonfigurationer er rapporteret.

Først og fremmest, en ensartet fordeling af orienteringer over området (-θ, θ) med hensyn til en vandret linje anvendes. I den anden, en fordeling af orienteringer over området [-θ] ∪ [θ] anvendes, også med hensyn til en vandret linje. I hvert tilfælde reduceres θ gradvist fra 90° til 0°. Ledningsevne måles både i retninger parallelt og vinkelret på justering.

Forskere fandt ud af, at en betydelig forbedring i ledningsevne parallelt med retningen af ​​justering kan opnås ved en let begrænsning af orienteringen af ​​den ensartede fordeling. Denne forbedring, imidlertid, kommer på bekostning af et større fald i vinkelret ledningsevne. Den generelle form for disse resultater stemmer overens med den, der blev demonstreret af forskere, der eksperimenterede med kulstof nanorørfilm. Overraskende nok, det blev konstateret, at den stærkt beordrede anden sag ikke er i stand til at udkonkurrere isotrope netværk for en værdi på θ; viser således, at kontinuerlige orienteringskonfigurationer med en vis grad af tilfældighed er at foretrække frem for højt ordnede konfigurationer.

Tidligere forskning på dette område har undersøgt virkningerne af orientering på ledningsevnen af ​​3D kulstof nanorør kompositter, at finde, at en lille grad af justering forbedrer ledningsevnen. Beregningsmodeller er blevet brugt til at studere, hvordan perkolationssandsynlighed for 2D tilfældige stangdispersioner påvirkes af stangens orientering. Andre har udviklet en mere sofistikeret beregningsmodel, der er i stand til at beregne ledningsevnen af ​​3D-stavspredninger, igen at finde, at en lille grad af aksial justering forbedrer ledningsevnen.

"Metal nanowire-netværk viser et stort potentiale for anvendelse i forskellige former for teknologi, "sagde Jagota." Denne beregningsmodel, som har vist sig nøjagtig gennem sin gode tilpasning til tidligere offentliggjorte data, har demonstreret kvantitativt, hvordan forskellige orienteringskonfigurationer kan påvirke ledningsevnen af ​​metal nanotrådnetværk."

"Begrænsning af orientering kan forbedre ledningsevnen i en enkelt retning betydeligt, som kan være relevant i en række forskellige teknologier, hvor der kun kræves strøm i én retning, " sagde Tansu. "Overraskende nok, stærkt kontrollerede orienteringskonfigurationer udviser ikke overlegen ledningsevne; en vis grad af tilfældighed i orienteringen virker faktisk til at forbedre ledningsevnen af ​​netværkene. Denne tilgang kan have en enorm indvirkning på at forbedre strømspredningen i optoelektroniske enheder, specifikt på dyb ultraviolet emitter med dårligt kontaktlag af p-typen. "