Op nanoniveau is onderzoekers van Stanford hebben een nieuwe manier ontdekt om mazen van kleine draadjes aan elkaar te lassen. Hun werk zou kunnen leiden tot spannende nieuwe elektronica en zonne-energietoepassingen. Slagen, ze deden een beroep op plasmonica.

Een gebied van intensief onderzoek op nanoschaal is het maken van elektrisch geleidende mazen gemaakt van metalen nanodraden. Veelbelovende uitzonderlijke elektrische doorvoer, lage kosten en gemakkelijke verwerking, ingenieurs voorzien een dag waarop dergelijke mazen gebruikelijk zijn in nieuwe generaties aanraakschermen, videoschermen, lichtgevende dioden en dunnefilmzonnecellen.

In de weg staan, echter, is een grote technische hindernis:bij de verwerking, deze delicate mazen moeten worden verwarmd of geperst om het kriskras patroon van nanodraden die het gaas vormen te verenigen, ze daarbij beschadigen.

In een artikel dat zojuist in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurmaterialen , een team van ingenieurs van Stanford heeft een veelbelovende nieuwe nanodraadlastechniek gedemonstreerd die plasmonics gebruikt om de draden te smelten met een simpele lichtstraal.

Zelfbeperkend

De kern van de techniek is de fysica van plasmonica, de interactie van licht en metaal waarbij het licht in golven over het oppervlak van het metaal stroomt, als water op het strand.

"Als twee nanodraden gekruist lagen, we weten dat licht plasmongolven genereert op de plaats waar de twee nanodraden elkaar ontmoeten, het creëren van een hotspot. Het mooie is dat de hotspots alleen bestaan ​​als de nanodraden elkaar raken, niet nadat ze gefuseerd zijn. Het lassen stopt vanzelf. Het is zelfbeperkend, " legt Mark Brongersma uit, een universitair hoofddocent materiaalkunde aan Stanford en een expert in plasmonics. Brongersma is een van de senior auteurs van het onderzoek.

"De rest van de draden en, net zo belangrijk, het onderliggende materiaal is onaangetast, " merkte Michael McGehee op, een materiaalingenieur en senior auteur van het papier. "Dit vermogen om met precisie te verwarmen verhoogt de controle aanzienlijk, snelheid en energie-efficiëntie van lassen op nanoschaal."

In voor-en-na-elektronenmicroscoopbeelden, individuele nanodraden zijn visueel onderscheiden voorafgaand aan verlichting. Ze lagen op elkaar, als twee omgevallen bomen in het bos. Wanneer verlicht, de bovenste nanodraad werkt als een soort antenne, het richten van de plasmongolven van licht in de onderste draad en het creëren van warmte die de draden aan elkaar gelast. Post-belichtingsafbeeldingen tonen X-achtige nanodraden die plat tegen het substraat liggen met gesmolten verbindingen.

Transparantie

Naast het gemakkelijker maken om sterkere en beter presterende nanodraadgaasjes te produceren, de onderzoekers zeggen dat de nieuwe techniek de mogelijkheid zou kunnen openen om mesh-elektroden te verbinden met flexibele of transparante kunststoffen en polymeren.

Om de mogelijkheden te demonstreren, ze brachten hun gaas aan op Saran-wrap. Ze sproeiden een oplossing met zilveren nanodraden in suspensie op het plastic en droogden het af. Na verlichting, wat overbleef was een ultradun laagje gelaste nanodraden.

"Toen hebben we het opgerold als een stuk papier. Toen we de omslagdoek ontvouwden, het behield zijn elektrische eigenschappen, " zei co-auteur Yi Cui, een universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek. "En als je het ophoudt, het is vrijwel transparant."

Dit zou kunnen leiden tot goedkope raamcoatings die zonne-energie opwekken en tegelijkertijd de verblinding van de binnenkant verminderen, aldus de onderzoekers.

"Bij eerdere lastechnieken waarbij gebruik werd gemaakt van een kookplaat, dit zou nooit mogelijk zijn geweest, " zei hoofdauteur, Erik C. Garnett, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker materiaalkunde die samenwerkt met Brongersma, McGehee en Cui. "De Saran-wikkel zou veel eerder zijn gesmolten dan het zilver, het apparaat onmiddellijk vernietigen."

"Er zijn veel mogelijke toepassingen die niet eens mogelijk zouden zijn in oudere gloeitechnieken, " zei Brongersma. "Dit opent een aantal interessante, eenvoudige en grootschalige verwerkingsschema's voor elektronische apparaten - zonne-, LED's en touchscreen-displays, vooral."