Elektronik kan vokse på træer takket være nanocellulosepapirhalvledere

Halvledende nanomaterialer med 3D-netværksstrukturer har høje overfladearealer og mange porer, der gør dem fremragende til applikationer, der involverer adsorbering, adskillelse og sensing. Det er dog stadig en udfordring at kontrollere de elektriske egenskaber og skabe nyttige mikro- og makroskalastrukturer, samtidig med at man opnår fremragende funktionalitet og alsidighed i slutbrugen. Nu har forskere fra Osaka University i samarbejde med University of Tokyo, Kyushu University og Okayama University udviklet en nanocellulosepapirhalvleder, der giver både nano-mikro-makro trans-skala designbarhed af 3D-strukturerne og bred afstemning af de elektriske egenskaber . Deres resultater er offentliggjort i ACS Nano .

Cellulose er et naturligt og let at kildemateriale afledt af træ. Cellulose nanofibre (nanocellulose) kan laves til ark af fleksibelt nanocellulosepapir (nanopapir) med dimensioner som standard A4. Nanopapir leder ikke en elektrisk strøm; dog kan opvarmning indføre ledende egenskaber. Desværre kan denne udsættelse for varme også forstyrre nanostrukturen.

Forskerne har derfor udtænkt en behandlingsproces, der giver dem mulighed for at opvarme nanopapiret uden at beskadige papirets strukturer fra nanoskalaen op til makroskalaen.

"En vigtig egenskab for nanopapirhalvlederen er tunbarhed, fordi dette gør det muligt at designe enheder til specifikke applikationer," forklarer undersøgelsesforfatter Hirotaka Koga. "Vi anvendte en jodbehandling, der var meget effektiv til at beskytte nanopapirets nanostruktur. Kombinationen af ​​dette med rumligt styret tørring betød, at pyrolysebehandlingen ikke ændrede væsentligt på de designede strukturer, og den valgte temperatur kunne bruges til at kontrollere de elektriske egenskaber."

Forskerne brugte origami (papirfoldning) og kirigami (papirskæring) teknikker til at give legende eksempler på nanopapirets fleksibilitet på makroniveau. En fugl og kasse blev foldet, former inklusive et æble og snefnug blev udstanset, og mere indviklede strukturer blev fremstillet ved laserskæring. Dette demonstrerede det mulige detaljeringsniveau, såvel som manglen på skader forårsaget af varmebehandlingen.

Eksempler på vellykkede applikationer viste nanopapir-halvledersensorer indbygget i bærbare enheder for at detektere udåndet fugt, der bryder igennem ansigtsmasker og fugt på huden. Halvlederen af ​​nanopapir blev også brugt som elektrode i en glukosebiobrændselscelle, og den genererede energi tændte en lille pære.

"Den strukturvedligeholdelse og tilpasningsevne, som vi har været i stand til at vise, er meget opmuntrende for oversættelsen af ​​nanomaterialer til praktiske enheder," siger lektor Koga. "Vi tror på, at vores tilgang vil understøtte de næste skridt inden for bæredygtig elektronik fremstillet udelukkende af plantematerialer."

Artiklen, "Nanocellulose-papirhalvleder med en 3D-netværksstruktur og dens nano-mikro-makro trans-skala design," blev offentliggjort i ACS Nano . + Udforsk yderligere

Undersøgelsen af ​​papirbaseret elektronik fortsætter med fremskridt