Næste generations elektronik:Udvider mulighederne med sølv nanotråde

Nutidens nanoskalateknologier er sofistikerede nok til at blive anvendt i et uendeligt antal nyttige enheder, fra sensorer i berøringsskærmenheder og husholdningsapparater til bærbare biosensorer, der kan overvåge kemiske niveauer i vores blod, muskel bevægelse, vejrtrækning og puls. Ud over, der er teknologier til præcisionsenheder såsom højopløsnings scanning probe mikroskoper, som gør det muligt at visualisere overflader ikke kun på atomniveau, men selv de enkelte atomer.

Disse enheder anvender typisk elektroder, som er fremstillet ved at påføre tynde belægninger af ledende materialer på glas eller keramiske substrater. Imidlertid, disse typer elektroder er skrøbelige og mangler fleksibilitet, og de kan involvere dyre og begrænsede materialer samt vanskelige fremstillingsmetoder.

Et alternativt materiale, der får stor opmærksomhed, er sølv nanotråde; disse ledninger har meget små diametre (så små som en tusindedel af en millimeter) og kan fremstilles i forskellige tværsnitsformer og konfigurationer. De er også uovertruffen i ledningsevne, har overlegen mekanisk styrke og fleksibilitet og kan nemt syntetiseres med let tilgængelige materialer. Disse kvaliteter og sølv nanotrådes alsidighed gør dem særligt attraktive, ikke kun for mange almindeligt anvendte elektroniske enheder, men for innovationer inden for fleksibel elektronik, såsom fleksible mobiltelefoner og tablets, billige solpaneler eller solceller, der kan fremstilles på tapet eller tøj.

Sølv nanotråde er med succes blevet anvendt som elektroder i forskellige elektroniske enheder; imidlertid, deres kommercielle brug er blevet hæmmet af deres sårbarhed over for de ætsende virkninger af varme, lys, og fugt. Sådan korrosion kan resultere i gruber og huller eller "ætsning" på nanotrådens overflade, som negativt påvirker deres elektriske, mekanisk, og optiske egenskaber. Ætsning kan være yderst skadelig for sølv nanotråd-baseret enheds ydeevne og kan endda føre til fejl.

Tidligere forsøg er blevet gjort på at fremstille beskyttende skaller omkring sølv nanotråde. I ét forsøg, en tynd polymer blev aflejret på et substrat som en nanotrådbarriere. Beskyttende tynde metal- eller kulstofskaller er også blevet dyrket på nanotrådenes overflader. Dette øgede levetiden og ydeevnen af ​​sølv nanotråde brugt som gennemsigtige elektroder; imidlertid, skaloverfladerne manglede den ensartede glathed, der er nødvendig for mere højpræcisionsudstyr.

Forskere fra Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI) har med succes udviklet en metode til fremstilling af ultratynde skaller omkring sølv nanotråde, resulterer i overlegen stabilitet og effektivitet.

De valgte først guld til deres beskyttende skaller på grund af dets modstandsdygtighed over for varme, lys, og fugt. Dens struktur ligner også sølvs, som letter væksten af ​​ultratynde lag af guld på sølvnanowire-overfladerne. Imidlertid, der er en advarsel:Der kan eksistere ladede guldatomer, som kan reagere med selve sølvet, danner huller eller porer, hvilket ville være udpræget problematisk. TIBI-teamet løste dette problem ved at vælge et kemikalie til at kompleksere med de ladede guldatomer; dette undertrykte effektivt poredannelse.

Holdet udviklede derefter en stuetemperatur, løsningsbaseret fremstillingsmetode, som tilbød nem opsætning og ligetil, skalerbare trin. Ud over, deres metode tillod justering af reaktionstider og blandinger for at kontrollere tykkelsen af ​​de afsatte guldlag.

De syntetiserede sølv nanotråde ved at kombinere løsninger og lade nanotrådene vokse og krystallisere. Guldløsningen, som indeholdt eksperimentelt optimerede kemikalier for at eliminere ætsning og for at hjælpe med en jævn aflejring af guldlag, blev derefter indført. De optimerede også eksperimentelle forhold for at forbedre den kemiske stabilitet af nanotrådene.

De resulterende sølv nanotråde havde veldefinerede, tre nanometer tykke guldbelægninger, med glatte overflader, fri for ætsning. De udviste også en stabiliserende sølv-guld grænseflade, hvilket er bydende nødvendigt for at bevare nanotrådenes optiske og elektriske egenskaber.

"Vi overvejede enhver mulig udfordring i at designe en effektiv metode til at øge levetiden for sølv nanotråd-baserede enheder, " sagde Yangzhi Zhu, Ph.d., første forfatter til projektet. "Vores data viser tydeligt, at vi var i stand til at skabe effektive løsninger på disse udfordringer."

TIBI-holdet gennemførte derefter eksperimenter for at evaluere holdbarheden af ​​de guldbelagte og ubehandlede sølvnanotråde. Når nanotråde blev udsat for luft; de ubelagte sølv nanotråde blev stærkt beskadigede og forringede efter ti dage. De guldbelagte nanotråde forblev uændrede selv efter seks måneder. Lignende resultater blev opnået, efter at begge nanotråde blev udsat for de skadelige virkninger af hydrogenperoxid og natriumbufret saltvandsnedsænkning.

I ydeevnetest af fleksible gennemsigtige elektroder, begge nanotråde blev udsat for høj varme og fugtighed; de ikke-coatede nanotråde fejlede efter 12 dage, men de guldbelagte sølv nanotrådes ydeevne var sammenlignelige med toppræsterende kommercielle nanotråde.

I ydeevnetest på optiske enheder, de guldbelagte nanotråde viste høj ydeevne efter 21 dage. I modsætning, de ubehandlede sølv nanotråde udviste nedsat effektivitet inden for en uge og fejlede til sidst. Desuden, testene viste, at der ikke blev introduceret yderligere baggrundsstøj af guldskallerne.

Inden for samme tidsramme, de guldbelagte nanotråde udviste overlegne resultater, når de blev testet i højopløsnings scanning probe mikroskopi, leverer urokkelige billeder i høj kvalitet. I modsætning, billedkvaliteten fra de ubehandlede nanotråde faldt gradvist, indtil der opstod en enhedsfejl. Det er bemærkelsesværdige præstationer, da denne type mikroskopi involverer høje niveauer af mekanisk stress, og nanotrådsstabilitet er afgørende.

"Der er mange fordele ved at bruge sølv nanotråde i utallige enheder, så evnen til at forbedre deres ydeevne og holdbarhed skaber en stor indvirkning, " sagde Ali Khademhosseini, Ph.d., Direktør og administrerende direktør for TIBI. "De metoder, vi har udtænkt for at opnå, eksemplificerer kvaliteten af ​​vores instituts arbejde."

Detaljer om forskningen blev offentliggjort i Nano forskning .