Forskere skaber gennemsigtige, strækbare ledere ved hjælp af nano-harmonikastruktur

Forskere fra North Carolina State University har skabt strækbare, transparente ledere, der fungerer på grund af strukturernes "nano-harmonika"-design. Lederne kan bruges i en lang række applikationer, såsom fleksibel elektronik, strækbare skærme eller bærbare sensorer.

"Der er ingen ledende, gennemsigtige og strækbare materialer i naturen, så vi var nødt til at lave en, " siger Abhijeet Bagal, en ph.d. studerende i maskin- og rumfartsteknik ved NC State og hovedforfatter af et papir, der beskriver arbejdet.

"Vores teknik bruger geometri til at strække skøre materialer, som er inspireret af kilder, som vi ser i hverdagen, " siger Bagal. "Det eneste der er anderledes er, at vi har gjort det meget mindre."

Forskerne begynder med at oprette en tredimensionel polymerskabelon på et siliciumsubstrat. Skabelonen er formet som en række identiske, jævnt fordelte rektangler. Skabelonen er belagt med et lag aluminium-doteret zinkoxid, som er det ledende materiale, og en elastisk polymer påføres zinkoxidet. Forskerne vender så det hele og fjerner silicium og skabelon.

Det, der er tilbage, er en række symmetriske, zinkoxidkamme på et elastisk underlag. Fordi både zinkoxid og polymeren er klare, strukturen er gennemsigtig. Og det er strækbart, fordi kanterne af zinkoxid tillader strukturen at ekspandere og trække sig sammen, som bælgen på en harmonika.

"Vi kan også kontrollere tykkelsen af ​​zinkoxidlaget, og har udført omfattende test med lag fra 30 til 70 nanometer tykke, " siger Erinn Dandley, en ph.d. studerende i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved NC State og medforfatter til papiret. "Dette er vigtigt, fordi tykkelsen af ​​zinkoxidet påvirker strukturens optiske, elektriske og mekaniske egenskaber. "

De 3-D skabeloner, der bruges i processen, er præcist konstrueret, ved hjælp af nanolitografi, fordi dimensionerne af hver ryg direkte påvirker strukturens strækbarhed. Jo højere hver højderyg er, jo mere strækbar struktur. Dette skyldes, at strukturen strækker sig ved, at de to sider af en højderyg bøjes væk fra hinanden ved bunden - som en person, der laver en split.

Strukturen kan strækkes gentagne gange uden at gå i stykker. Og selvom der er en vis tab af ledningsevne første gang nano-harmonika strækkes, yderligere strækning påvirker ikke ledningsevnen.

"Det mest interessante for os er, at denne tilgang kombinerer teknik med et strejf af overfladekemi for præcist at kontrollere nano-harmonikaens geometri, sammensætning og, ultimativt, dets overordnede materialeegenskaber, "siger Chih-Hao Chang, en assisterende professor i mekanisk og rumfartsteknik ved NC State og tilsvarende forfatter til papiret. "Vi arbejder nu på måder at forbedre ledningsevnen af ​​nano-harmonika-strukturerne. Og på et tidspunkt ønsker vi at finde en måde at skalere processen op på."

Forskerne eksperimenterer også med teknikken ved hjælp af andre ledende materialer til at bestemme deres anvendelighed til at skabe ikke-gennemsigtig, elastiske ledere.

Papiret, "Multifunktionelle nano-harmonikastrukturer til strækbare gennemsigtige ledere, " er offentliggjort online i tidsskriftet Materialer Horisonter .