Fotonisk sintring kan skabe ny solenergi, teknologier til fremstilling af elektronik

Ingeniører ved Oregon State University har gjort et grundlæggende gennembrud i forståelsen af ​​fysikken i fotonisk "sintring, "hvilket kan føre til mange nye fremskridt inden for solceller, fleksibel elektronik, forskellige typer sensorer og andre højteknologiske produkter trykt på noget så simpelt som et ark papir eller plastik.

Sintring er sammensmeltning af nanopartikler til dannelse af et fast stof, funktionel tyndfilm, der kan bruges til mange formål, og processen kan have betydelig værdi for nye teknologier.

Fotonisk sintring har den mulige fordel af højere hastighed og lavere omkostninger, sammenlignet med andre teknologier til nanopartikelsintring.

I den nye forskning, OSU-eksperter opdagede, at tidligere tilgange til at forstå og kontrollere fotonisk sintring havde været baseret på et mangelfuldt syn på den involverede grundlæggende fysik, hvilket havde ført til en grov overvurdering af produktkvalitet og proceseffektivitet.

Baseret på det nye perspektiv på denne proces, som er blevet skitseret i Nature's Videnskabelige rapporter , forskere mener nu, at de kan skabe produkter af høj kvalitet ved meget lavere temperaturer, mindst dobbelt så hurtigt og med 10 gange mere energieffektivitet.

Fjernelse af begrænsninger på produktionstemperaturer, hastighed og omkostninger, siger forskerne, skulle tillade skabelsen af ​​mange nye højteknologiske produkter trykt på så billige underlag som papir eller plastfolie.

"Fotonisk sintring er en måde at afsætte nanopartikler på en kontrolleret måde og derefter forbinde dem sammen, og det har været af stor interesse, " sagde Rajiv Malhotra, en adjunkt i maskinteknik ved OSU College of Engineering. "Indtil nu, imidlertid, vi forstod ikke rigtig den underliggende fysik af, hvad der foregik. Man mente, for eksempel, at temperaturændringer og fusionsgraden ikke var relateret - men det betyder faktisk meget."

Med koncepterne skitseret i den nye undersøgelse, døren er åben for præcis kontrol af temperaturen med mindre nanopartikelstørrelser. Dette muliggør øget hastighed af processen og højkvalitetsproduktion ved temperaturer, der er mindst to gange lavere end tidligere. Der blev identificeret en iboende "selvdæmpende" effekt, som har stor betydning for opnåelse af den ønskede kvalitet af den færdige film.

"Lavere temperatur er en rigtig nøgle, " sagde Malhotra. "For at sænke omkostningerne, vi ønsker at printe disse nanoteknologiske produkter på ting som papir og plastik, som ville brænde eller smelte ved højere temperaturer. Vi ved nu, at det er muligt, og hvordan man gør det. Vi skal være i stand til at skabe produktionsprocesser, der er både hurtige og billige, uden kvalitetstab."

Produkter, der kunne udvikle sig fra forskningen, Malhotra sagde, omfatter solceller, gas sensorer, radiofrekvens identifikationsmærker, og en bred vifte af fleksibel elektronik. Bærbare biomedicinske sensorer kan dukke op, sammen med nye sensorenheder til miljøapplikationer.

I denne teknologi, lys fra en xenonlampe kan udsendes over forholdsvis store områder for at smelte nanopartikler sammen til funktionelle tynde film, meget hurtigere end med konventionelle termiske metoder. Det bør være muligt at opskalere processen til store produktionsniveauer til industriel brug.

Dette fremskridt blev muliggjort af en fireårig, $1,5 millioner National Science Foundation Scalable Nanomanufacturing Grant, som fokuserer på at overskride de videnskabelige barrierer for produktion af nanomaterialer på industriniveau. Samarbejdspartnere på OSU inkluderer Chih-hung Chang, Alan Wang og Greg Herman.

OSU-forskere vil arbejde sammen med to producenter i den private industri for at skabe en proof-of-concept-facilitet i laboratoriet, som det næste skridt i at bringe denne teknologi mod kommerciel produktion.