Forskere stencil-maler carbon nanorør-komponenter til fleksibel gennemsigtig elektronik

Forskere fra Skoltech, MIPT og andre steder har fundet en hurtig og billig måde at skabe geometriske mønstre i kulstof nanorørfilm. De resulterende film viste sig at have overlegne egenskaber til fremstilling af komponenter til 6G-kommunikationsenheder og fleksibel og gennemsigtig elektronik - såsom bærbare sundhedssporere. Mønstermetoden er beskrevet detaljeret i en artikel i Chemical Engineering Journal .

Som andre materialer har kulstofnanorør flere organisationsniveauer. Nede på atomniveau kan et enkeltvægget nanorør visualiseres som et 2D-ark af kulstofatomer (grafen) rullet ind i en cylinder. Sådanne cylindre kan klæbe sammen og danne tykkere fibre.

Fibrene kan forbindes til et stort, porøst 3D-netværk, og muligvis belægge en overflade som et tyndt lag - en kulstof nanorørfilm. Du kan gå et skridt videre og modificere selve filmen, for eksempel ved at fjerne noget af dens materiale og dermed påtvinge den et geometrisk mønster.

"Vores team fandt på en meget effektiv måde at gøre dette på og brugte den til at skabe en mesh-formet carbon nanorørfilm. Dette plejede at blive opnået ved bogstaveligt talt at brænde mange huller i en film. Idéen er at gøre filmen mere gennemsigtig kl. omkostningerne ved en vis elektrisk ledningsevne.

"Vi ender med en gennemsigtig leder, der kan bøjes, og det er dybest set definitionen af ​​en optisk elektrode til fleksible gennemsigtige elektroniske enheder, såsom biosensorer, der overvåger bærerens puls, vejrtrækning og blodiltning," medforfatter Assistant Assistant Professor Dmitry Krasnikov fra Skoltech Photonics sagde og tilføjede, at maskestrukturen også kan tjene som et diffraktionsgitter - en komponent, der potentielt er nyttig i 6G-signalmodtagelse.

Lige nu er der to hovedmetoder til fremstilling af mønstrede kulstof nanorørfilm. Du laver enten en kontinuerlig film og brænder huller i den og ofrer op til 90 % af materialet, hvilket tydeligvis ikke er særlig økonomisk. Eller også skal der bruges rigtig fin litografi til at fremstille den mønstrede film fra bunden.

Men også denne proces er temmelig dyr og kompleks, der involverer flere trin og brugen af ​​flydende opløsninger, som har tendens til at forurene filmen med urenheder og kompromittere dens egenskaber.

"Vores tilgang har en række fordele," forklarede undersøgelsens hovedforsker, professor Albert Nasibulin fra Skoltech Photonics. "Det er reproducerbart, ret hurtigt og billigt og alsidigt. Der bruges ingen flydende opløsninger, hvilket gør metoden renere og sikrer høj kvalitet. Faktisk er nettets gennemsigtighed-konduktivitetsforhold - som er dets vigtigste fortjeneste indtil videre. som optiske elektroder går – er 12 gange bedre end en kontinuerlig film.

"På den konto udkonkurrerer den nye teknik fin litografi og er på niveau med den forholdsvis sløsede tilgang, hvor du brænder væk - og mister! - det ekstra materiale. Vi kan også skabe andre mønstre end masker."

Så hvordan virker det? Først laver forskerne en kobberskabelon af mønsteret - i dette tilfælde et firkantet net - ved at skære det fra kobberfolie med en laser. De tager derefter et nitrocellulosemembranfilter, dækker det med skabelonen og sputter kobberpartikler på det, hvilket effektivt skaber et komplementært mønster.

Hvis man så afsætter kulstof nanorør på filteret, vil de antage det tilsigtede maskemønster, fordi det forstøvede kobber frastøder dem. Og da den resulterende mønstrede film hverken klæber til kobber eller nitrocellulose, er det nemt at overføre til et andet substrat blot ved at trykke et stykke gummi, glas eller andet materiale til filteret.

Forskerne testede diffraktionsegenskaberne af gitrene, forberedt som 2D-masker på et tyndt lag elastisk materiale (elastomer). Et terahertz-spektrometer registrerede tydeligt de diffraktionstoppe, der er kendt fra den optiske del af ethvert almindeligt fysikkursus, kun at disse toppe ikke blev observeret i synligt lys, men i THz-frekvensbåndet, som svarer til bølgelængder på omkring 1 millimeter og er mellemliggende mellem infrarødt lys og mikrobølger.

Forskerne strakte det elastiske substrat og varierede derved gitterperioden og registrerede de tilhørende diffraktionsspidsforskydninger i nøje overensstemmelse med de kendte optiske love.

"Letheden, enkelheden og de relativt lave omkostninger ved at fremstille strukturer baseret på nanorørsfilm kombineret med den effektive kvasi-optiske THz-spektroskopimetode (ved anvendelse af indfaldende THz-strålingsstråle i åbent rum) muliggør enorme muligheder for fremstilling og test af ydeevnen af ​​alle slags af todimensionel struktur baseret på nanorør, som kunne inkorporeres i forskellige enheder og komponenter ved hjælp af THz-stråling," kommenterede undersøgelsens medforfatter Boris Gorshunov, der leder Terahertz Spectroscopy Lab ved MIPT.

Holdet vil snart rapportere lignende eksperimenter med andre geometriske mønstre end masker - koncentriske cirkler og spiraler - til avanceret THz-billeddannelse. Dette henviser til en sikker og ikke-invasiv teknologi til sikkerhedsscreening og medicinske undersøgelser, der er afhængig af stråling i båndet mellem mikrobølger og infrarødt lys.

Flere oplysninger: Ilya V. Novikov et al., Hurtig væskefri mønstre af SWCNT-film til elektroniske og optiske applikationer, Chemical Engineering Journal (2024). DOI:10.1016/j.cej.2024.149733

Journaloplysninger: Chemical Engineering Journal

Leveret af Skolkovo Institute of Science and Technology