Новости

23 апреля, 2024 17:18

Деталь для гибкой и прозрачной электроники «нарисовали» нанотрубками по трафарету

Источник: Naked Science
Исследователи из Сколтеха, МФТИ и других научных центров нашли быстрый и недорогой способ изготовления узорчатых плёнок из углеродных нанотрубок. Такие плёнки по ряду свойств лучше, чем сплошные, подходят для производства деталей для устройств связи шестого поколения и гибкой и прозрачной электроники, например нательных фитнес-трекеров. Как получить узорчатые плёнки — учёные описали в статье в журнале Chemical Engineering Journal.
Источник: пресс-служба Сколтеха

У углеродных нанотрубок, как и у других материалов, есть несколько уровней организации. На атомном уровне одностенную нанотрубку можно представить как свёрнутый в цилиндр лист графена (слой углерода толщиной один атом). Такие цилиндры слипаются в нити, которые, в свою очередь, образуют структуру третьего уровня — пористую трёхмерную сеть. Она может тонким слоем покрывать некоторую поверхность, и это и есть плёнка из углеродных нанотрубок. Следующий уровень — модифицировать саму плёнку. Например, можно удалить часть материала таким образом, чтобы в результате остался правильный геометрический рисунок.

«Наш коллектив предложил весьма эффективный способ изготовления сетчатых плёнок из углеродных нанотрубок. Прежде их получали буквально выжигая дырки в сплошной плёнке. Идея в том, что плёнка при этом становится прозрачнее ценой не слишком сильного падения электропроводности. В итоге мы имеем прозрачный проводник, к тому же гибкий, — всё, что нужно для оптического электрода, который можно использовать в гибкой прозрачной электронике, например носимых биосенсорах для мониторинга пульса, дыхания и насыщения крови кислородом», — рассказал один из авторов исследования, старший преподаватель Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Дмитрий Красников. 

По словам учёного, такая сетчатая структура также может служить дифракционной решёткой — этот элемент пригодится в устройствах связи 6G.

Существует два основных подхода к изготовлению узорчатых плёнок из углеродных нанотрубок. Можно сделать сплошную плёнку и выжечь в ней отверстия, потеряв при этом до 90% материала, что не вполне экономично. Или можно сразу изготовить плёнку с необходимым узором при помощи высокоточной литографии, но это, опять же, дорого, потому что сам метод сложный, тонкий, включает несколько шагов и, к тому же, требует работы с растворами, а жидкости загрязняют плёнку примесями, ухудшая её свойства.

«У нашего подхода есть ряд преимуществ: воспроизводимость, сравнительная быстрота и дешевизна изготовления, а также гибкость, — пояснил научный руководитель исследования, профессор Альберт Насибулин из Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха. — И мы не используем жидких растворов, что делает метод чище и обеспечивает высокое качество продукта. Если говорить о соотношении прозрачности и проводимости, а это — основной показатель для оптических электродов, то у нашей узорчатой плёнки он в 12 раз лучше, чем у сплошной. С этой точки зрения наш метод опережает высокоточную литографию и обеспечивает качество наравне с неэкономным подходом, в котором лишний материал выжигают из плёнки. Кроме того, мы можем делать не только сетчатые, но и иные узоры».

Итак, как работает метод? Исследователи вырезают лазером из медной фольги шаблон необходимого рисунка, в данном случае — квадратной сетки. Затем шаблоном перекрывают обычный мембранный фильтр из нитроцеллюлозы и напыляют на него мелкие частицы меди, которые формируют обратный рисунок. Если шаблон убрать и на обработанный таким образом фильтр нанести углеродные нанотрубки, они повторят геометрию шаблона, поскольку частицы меди препятствуют осаждению нанотрубок. Полученную сетчатую структуру можно без труда снять с фильтра: поскольку она не пристаёт ни к нитроцеллюлозе, ни к меди, достаточно прислонить к ней кусок стекла, резины или другого материала.

Авторами также были протестированы дифракционные свойства структур, приготовленных в виде двумерных решёток на тонком эластичном слое (эластомере). На терагерцовом спектрометре отчётливо регистрировались известные из оптического курса общей физики дифракционные пики, только не в области видимого света, а в терагерцовом диапазоне (длина волны около 1 миллиметра, на шкале электромагнитных волн находится между инфракрасным светом и микроволнами). Растягивая эластичную подложку, авторы продемонстрировали сдвиги дифракционных пиков, вызванные увеличением и уменьшением периода решётки — в точном соответствии с известными оптическими формулами.

«Простота, лёгкость и относительная дешевизна изготовления структур на основе плёнок из нанотрубок в сочетании с эффективным методом квазиоптической (пучок ТГц-излучения падает на решётку в открытом пространстве) ТГц-спектроскопии открывают широкие возможности изготовления и оперативной аттестации самых разных двумерных структур на основе нанотрубок, которые могут сослужить службу при разработке элементов и устройств, использующих ТГц-излучение», — отмечает один из авторов исследования, Борис Горшунов, заведующий лабораторией терагерцовой спектроскопии МФТИ.

Коллектив вскоре планирует обнародовать результаты аналогичных экспериментов с другими геометрическими рисунками — спиралями и концентрическими окружностями. Такие структуры будут полезны для терагерцовой визуализации — перспективной технологии досмотра пассажиров и багажа, контроля качества продукции и медицинской диагностики при помощи безвредного излучения в ТГц-диапазоне.

Освещённое в пресс-релизе исследование поддержано грантами № 22-13-00436 и № 21-72-20050 Российского научного фонда.


31 октября, 2024
Российские физики определили индексы, позволяющие прогнозировать поведение лазеров
Российские ученые при участии исследователей из НИУ ВШЭ изучили особенности генерации эрбиевых волок...
30 октября, 2024
Защитное композитное покрытие из графена и никеля для авиации и медицины
Защитный слой из композита на основе графена и никеля повышает прочность металлической поверхности...